10月13日，《npj计算材料》（npj Computational Materials）在线刊发了强磁场物理研究所徐刚教授团队的研究成果，论文题为“Topological superconductor candidates PdBi2Te4 and PdBi2Te5 from a generic ab initio strategy”。我院博士生罗爱云，李颖和硕士生秦伊为论文共同第一作者，徐刚教授为论文通讯作者，博士生胡敬南、汪晓旭，邹金雨讲师和普林斯顿大学廉骉助理教授共同完成相关工作。

拓扑超导中的马约拉纳零能模是实现容错拓扑量子计算的关键，因而拓扑超导设计和调控研究是当前最前沿、最受关注的方向之一，国际竞争十分激烈。2016年之前，人们主要是通过生长超导体异质结来调控实现拓扑超导和马约拉纳零能模。这对样品生长和界面调控提出了非常高的要求。2016年，徐刚等人提出了在同时具有反带电子结构和超导特性的理想“超导拓扑金属”中实现拓扑超导的新思路，最早计算确认了FeSe_0.5Te_0.5中的拓扑超导特性和磁通涡旋中的马约拉纳零能模（Phys. Rev. Lett.117, 047001）。2018年，FeSe_0.5Te_0.5中的拓扑表面态超导和马约拉纳零能模相继被实验观测到（Science 360, 182-186;Science 362, 333-335），掀起了超导拓扑金属的研究热潮。

但现有大多数超导拓扑金属的能带结构非常复杂，拓扑表面态埋在体能带中难以形成实现拓扑超导需要的配对。另一方面，目前研究拓扑超导的理论计算工作几乎都是基于手写有效模型实现的，缺少从第一性原理出发计算拓扑超导性质的普适程序。这些都严重限制了从现有超导拓扑金属中挑选和调控实现拓扑超导的可能。

左图：利用在拓扑绝缘体中插层超导单元的方法来设计拓扑超导金属的新范式；右图：基于第一性原理计算表征拓扑超导不变量的计算流程图

在本工作中，徐刚教授团队提出了一种在拓扑绝缘体中插层超导单元来设计拓扑超导金属的新范式，开发了一套从第一性原理计算出发计算二维拓扑超导不变量的程序，提出了实验上可合成的理想候选材料PdBi₂Te₅和PdBi₂Te₄。团队将具有高匹配度的Bi₂Te₃拓扑绝缘体和PdTe₂、PdTe超导体插层得到了拓扑超导金属PdBi₂Te₅和PdBi₂Te₄，并通过计算确认了其结构具有稳定性，在实验上易于合成。进一步的计算证明了材料的拓扑能带结构、拓扑表面态和超导性，超导转变温度分别为0.57K和3.11K。利用新开发的计算程序，团队进一步计算了二维薄膜的超导能谱和超导陈数，证明在该薄膜加入适当的塞曼劈裂后可以实现二维手征拓扑超导。该研究工作为设计和调控拓扑超导材料提供了新的思路和工具，有力地推动拓扑超导体和马约拉纳零能模的实现。

该研究工作得到了国家重点研发项目和国家自然科学基金等的资助。

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https://www.nature.com/articles/s41524-023-01144-y