2月10日，國際期刊《納米快報》（Nano Letters）發表了中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮與美國賓夕法尼亞州立大學合作完成的最新科研成果：《鉍單晶納米線中表面超導電性研究》（Surface Superconductivity in Thin Cylindrical Bi Nanowire）。該工作通過對超細圓柱形鉍單晶納米線（20和32納米）磁場下的電導測量，清晰給出了表面超導的實驗新證據。
元素鉍是半金屬，由于其具有低的電子濃度、小的電子有效質量和大的電子平均自由程，從而成為人們研究宏觀量子現象的典型材料而被長期關注。近年來，人們在鉍化合物中發現一個新物質態——拓撲絕緣體，但對鉍單晶是否具有拓撲絕緣體性質缺乏實驗證據。田明亮研究組前期在高磁場下的轉角實驗發現鉍納米帶具有二維的拓撲表面態，且表面態與納米帶的厚度有關，即空間受限效應誘導的拓撲絕緣體現象。
事實上，鉍納米結構的性質遠比想象的要豐富得多，如國際上頻頻報道鉍納米顆粒膜具有超導電性，但這種超導電性就像幽靈“ghost” 一樣飄忽不定，與膜的具體細節有關且機理一直不清楚。該研究利用電化學方法制備不同直徑的單晶鉍納米線，實驗觀察到超導電性且其一系列的超導輸運行為都不符合體超導特征。數據分析發現：表面超導模型非常有助于理解該研究中觀察到的系列反常行為，且表面超導體積隨直徑減小而增加。對比鉍納米帶的二維拓撲表面態結果，在柱形納米線中的超導電性與曲面應力誘導納米線表面態的電子結構調制有關。該研究成果對深入理解納米結構中拓撲絕緣體表面態的量子調控以及可能存在的Majorana費米子探測具有重要指導意義。
該項研究獲得科技部“973”項目以及國家自然科學基金項目的支持。該研究利用了強磁場科學中心多功能物性測試系統（PPMS）和SEM/FIB雙束納米加工系統。
(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
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