近日，上海交通大学贾金锋实验团队与中国科学技术大学张振宇、崔萍课题组开展合作，在锡烯(stanene)材料中取得突破进展，实现了拓扑边缘态和超导在多层stanene薄膜中的共存。该成果以“Coexistence of Robust Edge States and Superconductivity in Few-Layer Stanene”为题在Physical Review Letters上发表，并被选为编辑推荐。论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.206802
类石墨烯结构的二维材料被认为是潜在的二维拓扑绝缘体家族。这类单元素材料结构简单，且其电子特性具有很强的可调控性。其中stanene因为具有很强的自旋轨道耦合效应以及最近被报道的超导特性而备受关注。在该体系中，稳定且明显的拓扑边缘态依然缺乏实验证据，进一步地，实现拓扑性质与超导特性在该材料体系中的结合也是实验努力的方向。
图1. (a) stanene 岛状薄膜形貌。(b) 薄膜A、B边缘与内部隧穿谱对比。(c) 边缘态的空间及能量分布。
贾金锋课题组最近通过分子束外延生长的方法并利用氢气作为活性剂，成功在Bi(111) 衬底上生长了多层(1-5) 锡烯薄膜，并且利用空间分辨的扫描隧道图谱在1-5 层锡烯薄膜上均探测到了规则且明显的边缘态分布[见图1(b)及图2(a)和(b)]。理论计算表明这一随层厚增加而稳定存在的拓扑特性是由Bi（111）衬底提供的强自旋轨道耦合环境以及多层stanene薄膜自身的拓扑非平庸性共同导致的。实验还发现该体系中的拓扑边缘态在A 型边缘具有非常短的双向穿透深度(<4nm) [见图1(c)]，这有利于进一步利用该边缘通道构建高密度的拓扑量子器件。
图2. (a) 不同能量对应电子态在stanene薄膜上的空间分布。(b) 不同层厚stanene薄膜的边缘态。
(c)跨stanene薄膜边缘的超导能隙演化。(d) 不同层厚stanene薄膜上的超导能隙对比。
此外，实验上在该体系中还测到了超导信号。其相干峰的强度在薄膜边缘处出现明显的干涉现象，表明体系的二维超导特性。超导和拓扑边缘态在同一体系中的共存为后续在多层锡烯体系中构建一维拓扑超导打下了基础。
本工作获得了科技部、基金委，中科院先导项目，上海市科委和上海交通大学博士发展奖学金的支持。已毕业博士生赵晨晓为论文第一作者，上海交通大学贾金锋教授和中国科学技术大学崔萍教授为本文的共同通讯作者。