中国重大科技成果
上海交通大学贾金锋、郑浩团队的科研成果“实验证实超导态‘分段费米面’”近日入选了由科技部高技术研究发展中心发布的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。这一成果为超导计算机的核心部件之一超导二极管提供了一种可能的理论路径。
从制备用于实验的全新拓扑绝缘体/超导体（Bi2Te3/NbSe2）异质结体系，到不断根据实验需求调整仪器，“这一成果可说是上海交大物理与天文学院团队多年工作的积累和延续。”上海交大物理与天文学院教授，中科院院士贾金锋说，早在2012年，团队就制备出了拓扑绝缘体/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。这次的成果正是在这一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。
一个固体是否有费米面决定了材料的很多性质，比如是否导电、是否透光等，一般来说有费米面的材料是不透光的，因为电子吸收了光线，没有费米面的材料则是透光的。而对费米面的人工调控是材料物性调控的最重要途径。
而所谓费米面，就是材料半满的能带所观测的“电子面”。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解释称，所有固体材料中都有“能带”，电子会按照能量从低到高的方式填充能带。绝缘的固体材料中能带被电子填满，就像一个挤满人的房间，人在其中寸步难行，而导电的固体材料中，能带是半满的，既然是半满就有“面”的概念，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”。
大量研究表明，超导体虽然能零电阻导电，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。1965年德国物理学家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”。但是其后几十年，科学家都无法验证这一理论。
贾金锋、郑浩课题组分析前人的结果后发现，多数单一超导材料，库珀对速度太大会直接破坏超导态。他们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”的超导体可以实现单向零电阻导电，即正向零电阻导电，反向非零电阻导电的独特现象，即约瑟夫森二级管效应。而单向零电阻导电重要性在于不会产生热量，用来构建超导计算机，科研实现无能耗的高效计算。而原本计算机不论是真空二极管还是半导体制备的二极管，都会产生大量热量从而导致能量损耗。另外，还可以为例如有限动量超导、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。在贾金锋、郑浩课题组成果发表后，目前已有团队在他们的实验基础上尝试构建超导二极管。
“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告诉记者。
据上海交通大学科研院院长曾小勤介绍，基础研究特区计划由上海交大和上海市科委共同出资两亿元设立，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。而2030计划由学校拨款2亿元经费，鼓励学者在基础研究领域的前沿探索。项目分为三类，第一类是能解决国家重大需求的基础科研课题；第二类是解决目前科技发展关键技术的科学问题，截至目前已有6个项目获得了每年500万元人民币的支持，第三类则是鼓励青年教师对那些目前在科研界尚未形成共识的高风险科研课题进行自由探索，目前一期已有19个项目获得了每年50万元支持。
作者：姜澎
编辑：储舒婷
责任编辑：樊丽萍
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