2月10日，國際期刊《納米快報(bào)》（NanoLetters）發(fā)表了中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究員田明亮與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)合作完成的最新科研成果：《鉍單晶納米線中表面超導(dǎo)電性研究》（Surface　Superconductivity　in　Thin　Cylindrical　BiNanowire）。該工作通過對(duì)超細(xì)圓柱形鉍單晶納米線（20和32納米）磁場下的電導(dǎo)測量，清晰給出了表面超導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)新證據(jù)。

元素鉍是半金屬，由于其具有低的電子濃度、小的電子有效質(zhì)量和大的電子平均自由程，從而成為人們研究宏觀量子現(xiàn)象的典型材料而被長期關(guān)注。近年來，人們?cè)阢G化合物中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新物質(zhì)態(tài)——拓?fù)浣^緣體，但對(duì)鉍單晶是否具有拓?fù)浣^緣體性質(zhì)缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。田明亮研究組前期在高磁場下的轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鉍納米帶具有二維的拓?fù)浔砻鎽B(tài)，且表面態(tài)與納米帶的厚度有關(guān)，即空間受限效應(yīng)誘導(dǎo)的拓?fù)浣^緣體現(xiàn)象。

事實(shí)上，鉍納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)遠(yuǎn)比想象的要豐富得多，如國際上頻頻報(bào)道鉍納米顆粒膜具有超導(dǎo)電性，但這種超導(dǎo)電性就像幽靈“ghost”一樣飄忽不定，與膜的具體細(xì)節(jié)有關(guān)且機(jī)理一直不清楚。該研究利用電化學(xué)方法制備不同直徑的單晶鉍納米線，實(shí)驗(yàn)觀察到超導(dǎo)電性且其一系列的超導(dǎo)輸運(yùn)行為都不符合體超導(dǎo)特征。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：表面超導(dǎo)模型非常有助于理解該研究中觀察到的系列反常行為，且表面超導(dǎo)體積隨直徑減小而增加。對(duì)比鉍納米帶的二維拓?fù)浔砻鎽B(tài)結(jié)果，在柱形納米線中的超導(dǎo)電性與曲面應(yīng)力誘導(dǎo)納米線表面態(tài)的電子結(jié)構(gòu)調(diào)制有關(guān)。該研究成果對(duì)深入理解納米結(jié)構(gòu)中拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的量子調(diào)控以及可能存在的Majorana費(fèi)米子探測具有重要指導(dǎo)意義。

該項(xiàng)研究獲得科技部“973”項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。該研究利用了強(qiáng)磁場科學(xué)中心多功能物性測試系統(tǒng)（PPMS）和SEM/FIB雙束納米加工系統(tǒng)。

(左)鉍納米線的高分辨電鏡照片；（右）不同直徑Bi納米線電阻隨溫度變化曲線

信息來源：合肥物質(zhì)科學(xué)研究院  編輯：茍麗麗