本网讯 （记者 程媛媛）1965年，德国物理学家Peter Fulde理论预言了一种在超导体中实现特殊“分段费米面”的路径，但50多年来从未被证实。上海交通大学贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作，实现并观察到了预言中的“分段费米面”。该成果于近日入选2022年度“中国科学十大进展”，这也是上海交通大学时隔十一年再次入选中国科学十大进展。

固体材料会有一种叫“能带”的固有性质，固体里的电子会按照能量从低到高的方式填充能带。导体中的能带没有被填满（半满能带），而绝缘体的能带都是被填满的（全满能带），就像一个挤满了人的房间里，人寸步难行，挤满电子的全满能带不能导电，而半满能带能够导电。

就像一瓶半满的水能看到水面一样，一个半满的能带也能观测到“电子面”，物理术语叫“费米面”。一个固体材料有没有费米面会决定它很多物理性质，包括是否导电，是否透光等等。大量研究表明，超导体虽然导电（而且是零电阻导电），但是却没有费米面。因为超导体中承担导电任务的不是单个电子，而是两个电子组成的库伯对。

物理学家Peter Fulde理论预言，让超导体中库珀对动起来，如果速度足够快，就有可能在原本没有费米面的超导体中产生出一种特殊的“分段费米面”。然而，对多数单一超导材料中，库珀对速度太大会直接破坏超导态。实现“分段费米面”在实验上十分困难，虽然一直有人尝试，但未能取得突破。

贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作，设计制备了拓扑绝缘体/超导体(Bi2Te3/NbSe2)异质结体系，借助超导近邻效应在Bi2Te3中诱导出超导，得益于Bi2Te3拓扑表面态的费米速度极高的独特优势，只需要很小的库伯对速度，就实现并观察到了预言中的“分段费米面”。

研究表明，拥有“分段费米面”的超导体，可以实现正向零电阻导电，反向非零电阻导电的独特现象(约瑟夫森二级管效应)，可以用来构建超导计算机，实现无能耗的高效计算。此外，这一研究成果还可以为有限动量超导、库伯对密度波等很多具有重要物理学理论研究价值的课题提供关键的研究载体。

“该项成果是上海交大物理与天文学院团队多年工作的积累和延续。”中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院教授、李政道研究所拓扑量子计算实验平台负责人贾金锋表示，早在2012年团队就制备出拓扑绝缘体/超导体异质结，证明了该体系为拓扑超导，并在其中观察到了人们长期追求的马约拉纳零能模。这次的成果是在该体系中发现的新现象，是对该体系持续不断研究的最佳回报。

上海交大物理与天文学院教授、李政道研究所平台建设学者郑浩还强调，将拓扑绝缘体表面态费米速度大的优势，跨领域的应用到超导研究中来，是解决问题的关键。未来将会以具有“分段费米面”的超导体为平台，探索构筑新型拓扑超导态和实现超导二极管效应等重要物理效应的可能性。

“物理学科是科技的创新源头，未来学校还将继续通过基础研究特区计划和上海交通大学2030计划鼓励更多这类需要潜心十年甚至更长时间才能实现的基础研究。不仅要让学者甘坐10年冷板凳，也敢坐10年冷板凳。”上海交通大学校务委员会专职副主任吴旦透露道。

据介绍，基础研究特区计划由上海交大和上海市科委共同出资2亿元设立，截至目前实施两年已布局了26个项目，主要支持战略导向和自由探索类的基础研究课题，覆盖海洋、健康、信息和能源等多个领域。2030计划则由学校拨款2亿元经费，鼓励学者在基础研究领域的前沿探索。截至目前已有6个项目获得了每年500万元人民币的支持。