Stanene是一种拓扑绝缘体，由通常以与石墨烯内部相似的模式排列的原子组成。已经发现Stanene薄膜有望实现许多有趣的物理相，包括量子自旋霍尔相位和固有超导性。

一些理论研究还表明，这些薄膜可以承载拓扑超导，这种状态对量子计算技术的发展特别有价值。然而，到目前为止，stanene中的拓扑边缘状态尚未在实验环境中可靠和一致地观察到。

上海交通大学、中国科学技术大学、河南大学、郑州大学等中国研究所的研究人员最近证明了放置在Bi（111）基板上的一层至五层锡烯薄膜中拓扑边缘状态和超导的共存。他们的观察结果在《物理评论快报》上发表的一篇论文中有所概述，可能对基于斯坦烯的量子器件的发展具有重要意义。

“目前的工作是我们系统研究的最新一步，继我们2015年发表的先前工作之后，这代表了关于斯坦烯单原子层（ML）成功生长的第一份报告，”进行这项研究的研究人员之一Jinfeng Jia告诉 Phys.org。“挑战在于，在那个时候，Bi2特3基板对锡烯层施加压缩应变，导致其传导带和价带之间出现不利的重叠。

在先前研究结果的基础上，Jia的团队和全球其他研究小组一直试图实现放置在具有比Bi更大的晶格约束的各种基底上的stainene的拓扑超导性。2特3，因为这些可以保留斯坦烯的非平凡拓扑。然而，到目前为止，很少有人成功。

为了建立基于锡烯薄膜的高效量子计算技术，物理学家首先必须确定一种可用于生长具有非平凡拓扑性质和固有超导性的稳定锡烯的基板。这就是贾樟柯和他的同事们在他们最近的论文中开始做的事情。

图片来源：赵先生等

“我们最近论文的最终目标是在单元素材料系统stanene中实现拓扑超导体，”Jia说。“这种理想的基底是通过我们最近的理论研究确定的，指向Bi（111）基底。

在他们的实验中，Jia和他的同事在400mK的超低温下使用扫描隧道显微镜和光谱学收集了测量结果。这些方法使他们能够检测纳米级的 Stanene 样品上的局部拓扑边缘状态，并确认材料中的超导配对。

“我们的第一性原理计算进一步证实了这些薄膜的非平凡拓扑结构，以及Bi（111）衬底提供的重要自旋轨道耦合的至关重要性，”Jia解释说。“我们还表明，氢气在改变生长模式以平滑和逐层生长方面是必不可少的。

这个研究小组最近的工作最终证明了拓扑边缘状态和超导在斯坦烯薄膜中的共存。与以前实现这些状态的其他方法相比，在其样本中，这两种性质包含在单元素系统中，而不是复杂的异质结构中。

Jia及其同事观察到的边缘状态的短双边穿透长度特别有利于开发具有致密边缘通道的低损耗导电器件。此外，研究人员确定的stanene薄膜平台可以开发基于较少的stanene层的拓扑量子计算器件。

“对于stanene/Bi（111）系统，下一步是确定其超导的配对对称性，并通过为闭环边缘通道创建边界来实现Majorana零模态，”Jia补充道。“从长远来看，我们小组的目标是实现Majorana模式的编织操作，甚至推进到拓扑量子计算。

更多信息：赵晨晓等， 几层锡烯中鲁棒边缘态与超导的共存， 物理评论快报 （2022）.DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.206802

期刊信息：物理评论快报