近日，南方科技大学量子科学与工程研究院俞大鹏院士、博士后李彩珍与北京大学廖志敏教授、荷兰Twente大学Chuan Li助理教授以及Alexander Brinkman教授等合作，在狄拉克半金属-超导体异质结量子调控方面取得新进展，相关成果以"Fermi-arc supercurrent oscillations in Dirac semimetal Josephson junctions"为题发表在杂志Nature Communications上。

狄拉克半金属是一种新型的拓扑量子材料，这一体系独特的电子能带结构使其表现出许多新奇的性质，如手性反常效应和费米弧表面态。最近有理论提出，将拓扑表面态与超导体结合可以产生Majorana束缚态。而实现可调控的Majorana束缚态是迈向拓扑量子计算非常关键的一步，是近年来凝聚态物理领域的研究热点。

在该项工作中，研究人员制备了高质量的Cd₃As₂纳米片，样品具有低的载流子浓度，从而能够通过背压调控探测狄拉克点附近费米弧表面态的性质。研究人员制备了Nb-Cd₃As₂-Nb约瑟夫森结并观测到了背压可调控的超导临界电流。研究表明，在零磁场时，超导电流是由体态和表面态共同传导的。在施加磁场后，体态传导的超导电流可很快被抑制，从而使得表面态传导的超导电流占据主导作用。在表面态主导时，超导临界电流在狄拉克点附近表现为极大值，这与狄拉克点附近费米弧具有最大的态密度是一致的。此外，由于表面态的轨道效应，表面态传导的超导临界电流随面内平行磁场表现出周期性振荡的行为。该项工作实现的费米弧表面态传导电流的磁场和背压调控，对于深入研究狄拉克半金属的输运性质以及拓扑超导具有重要意义。

图：(a) 面内平行磁场下，微分电阻随磁场的变化；(b) 微分电阻的放大图，超导临界电流表现出周期振荡行为；(c) 不同磁场下，超导临界电流随背压的变化；(d) 费米面靠近（上图）和远离（下图）狄拉克点的费米弧。

南方科技大学量子科学与工程研究院博士后李彩珍与北京大学博士生王安琦为该论文的共同第一作者，北京大学物理学院廖志敏教授、荷兰屯特大学Chuan Li助理教授是该论文的共同通讯作者。该工作得到了科技部重点专项、国家自然科学基金等的支持。

论文连接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15010-8

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