“笼目”超导体中配对密度波的发现

何玲

超导是电子在微观世界里两两配对组成库珀对后集体凝聚形成的宏观量子态。在传统的超导体内部，库珀对的两个电子有着相反的动量。因此，库珀对本身总动量为零，在超导体内均匀分布，不会在平衡态中呈现波动特性。在1964年，理论学家Fulde P, Ferrell RA和Larkin AI, Ovchinnikov YN预言在有外部磁场的情况下，严格来说，在磁场的Zeeman能作用下，电子可以组成动量不为零的库珀对。这种库珀对凝聚形成的超导态就会呈现出波动的特性，被称之为 “FFLO”态。

在没有磁场的情况下，动量不为零的库珀对能形成吗？这种情况下形成的超导态被称为配对密度波（Pair Density Wave）。近年来，这个问题受到了物理学家的极大关注。理论上，配对密度波被预言可以在非常规超导体中出现；实验方面，经过多年的努力，只有在铜基高温超导体中寻找到了支持配对密度波存在的证据（Nature 552, 343 (2016), Science 364, 976 (2019), Nature 580, 65 (2020)），但这些实验还无法完全确立配对密度波的独立存在。

近两年，一种具有80-100 K电荷密度波转变温度的新型层状笼目（kagome）结构超导体，AV₃Sb₅(A= Cs, Rb, K) 被成功合成出来。这种超导体因其独特的笼目结构而展现出强关联、拓扑以及多体效应，其丰富的物理吸引了大量的研究。目前研究表明该材料体系具有非常规超导性以及反常的手性电荷密度波，这两者的同时出现预示着这类kagome超导体可能是配对密度波出现的理想载体。

近期，中国科学院物理研究所/中国科学院大学物理科学学院高鸿钧研究团队的陈辉(副研究员)、杨海涛(副研究员)和胡彬（博士生）等利用该团队自主设计组装的、居国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱（STM/S）联合系统对笼目超导体CsV₃Sb₅开展了精确和系统研究。他们与美国波士顿学院的Ziqiang Wang(汪自强)教授、以色列科学研究所的Binhai Yan（颜炳海）教授、中国人民大学雷和畅教授和物理所董晓莉研究员等进行了紧密合作。首先，他们合成了高质量的新型层状笼目结构超导体CsV₃Sb₅。然后利用STM/S，他们实验发现：1. 观察到两种2a₀´2a₀和单向条纹4a₀ 电荷密度波共存的非常规超导态，并证实其具有smectic超导序；2. 观察到不同于普通超导体中的配对密度波，这种配对密度波与超流态中的旋子（roton）激发态行为类似；3. 观察到该配对密度波可以诱导产生具有相同空间调制的电荷密度波，其对应着±5 meV能量位置的“赝能隙”（pseudogap），可以在T_c以上的温度（4 K）和H_C2以上的磁场（2T）观测到；4. 观察到非超导态下的非相干的配对密度波以及相干情况下超导和配对密度波之间的耦合。这些配对密度波的性质不同于铜基高温超导体中的配对密度波性质，预示着这类笼目超导体中有着新颖的配对密度波形成机制。

这些结果不仅首次在原子尺度揭示了AV₃Sb₅的非常规超导态的独特性质，也是实验上首次在铜基超导体外的超导体系发现非常规配对密度波，对研究配对密度波的形成机制以及揭示其和非常规超导体超导机理的关联有着重大的意义。

相关研究结果于9月29日以“加快发表”形式在Nature杂志在线发表。中科院物理所的陈辉、杨海涛和物理所/国科大博士生胡彬为共同第一作者，高鸿钧与汪自强为共同通讯作者。该工作得到了科技部 (2016YFA0202300, 2017YFA0206303, 2018YFA0305800 and 2019YFA0308500), 国家自然科学基金委 (61888102, 52022105, 11974422 and 11974394) 和中国科学院 (XDB28000000, XDB30000000, 112111KYSB20160061) 的支持。

【文章链接】https://www.nature.com/articles/s41586-021-03983-5

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图1 CsV₃Sb₅的原子结构与解理面的STM图像

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图2 CsV₃Sb₅的微分电导谱中的V形超导能隙以及应用超导针尖观测到的约瑟夫森效应

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图3 CsV₃Sb₅在±5 meV能量内伴随对超导能隙、相干峰和隧穿电导的能隙深度的双向4/3倍晶格空间调制

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图4 在300 mK施加垂直磁场以及4.2 K零磁场下观测到的配对密度波以及赝能隙

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