电子-电子相互作用驱动的八极矩外尔拓扑超导 | NSR

寻找拓扑超导态一直吸引着凝聚态物理学家的广泛关注，因为它有望承载马约拉纳费米子，而这正是实现拓扑量子计算的重要组成部分。在三维空间中，有一种极为罕见的外尔拓扑超导态，它的内部具有受拓扑保护的能隙节点，表面则带有费米弧。然而，想要实现这种材料，通常依赖相对论性自旋轨道耦合效应，但这种效应在真实的材料中往往十分微弱。因此，找到一种不需要复杂条件、普遍且稳定的新机制，成为了探索拓扑物理的重要目标。

长期以来，由多体相互作用涌现出的非常规超导性一直是物理学界的焦点。在二维关联电子系统中，电子间的排斥相互作用往往能驱动产生奇特的d波超导态。随着量子材料和冷原子模拟技术向三维体系的不断拓展，三维强关联系统中的非常规超导机制也随即得到关注。由电子-电子相互作用驱动的三维拓扑超导的理论探索，为人们增进对强关联量子系统的理解提供了独特的视角。

西湖大学的吴从军教授和北京理工大学的杨帆教授带领团队（联合厦门大学潘志明博士和杭州师范大学卢晨博士）基于三维晶格对称性和电子强关联效应的相互影响，提出在三维立方晶格中，仅由排斥性电子-电子相互作用就可以驱动产生外尔拓扑超导态。这项成果近期发表在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。

图1. 几何阻挫与八极矩外尔节点。 (a) 在立方晶格中，沿 x、y、z 三个方向的超导配对无法同时保持正负相反的符号。为了克服这种几何阻挫，系统妥协使得三个方向的配对相位相差 120°。(b) 动量空间的费米面上随之产生了 8 个外尔节点，它们带有交替分布的正、负磁单极子电荷（如红蓝箭头所示）。

当二维晶格中常见的符号交替d波配对被推广至三维空间时，其在长、宽、高三个方向上的符号无法同时满足两两相反，从而产生几何相位阻挫。在电子相互作用的影响下，系统为了克服这一阻挫，自然演化出了一种具有手性的复数配对态（d+id），使得三个方向的超导相位各自相差120度。与传统的手性超导态不同，这种三维的库珀对没有净轨道角动量，而是发展出了独特的八极矩特征，超导准粒子能谱在体对角线方向产生了8个带有交替正负磁单极子电荷的外尔节点，实现了八极矩外尔拓扑超导现象。这项工作基于这一物理图像，分别利用无规相近似方法以及强耦合的隶玻色子平均场和变分蒙特卡洛模拟，验证了该非常规超导态的稳健性及其相关的拓扑性质。