配对密度波引发的超导研究热潮——物理所科研人员受邀在《自然》上发表观点性论文 | 进展

近期，Nature杂志邀请中国科学院物理研究所陈辉副研究员和高鸿钧研究员撰写文章，对目前受到广泛关注的超导中的配对密度波研究进行评述，文章题为“Widespread pair density waves spark superconductor search（广泛关注的配对密度波引发超导研究热潮）”，该文于近日发表在Nature 的《新闻-观点》（News & Views）栏目上（Nature 618, 910-912 (2023)）。

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，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形成的超导态被称为配对密度波（Pair Density Wave）。配对密度波的形成很可能反映体系内部的电子关联特性。理论上，配对密度波预言可以在电子关联很强的非常规超导体中出现；实验上，经过二十多年的努力，在强关联的铜基高温超导体中已经寻找到了配对密度波存在的证据。紧接着的挑战性问题是，配对密度波是否可以在电子关联相对较弱的非常规超导体中出现？更近一步，配对密度波是否是超导体系中由电子关联引发的普适现象？这些问题的答案对理解非常规的超导配对机理及电子关联物理极其重要。因此，在超导体中寻找配对密度波在凝聚态物理研究中受到了极大关注。实验上能否在铜基超导体以外的超导体系中发现配对密度波是该领域面临的重大挑战，对超导研究极其重要。

近几年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士研究团队开展了超导前沿探索研究。在他的带领下，陈辉副研究员和杨海涛研究员等与美国Ziqiang Wang（汪自强）教授等合作，首次在新型层状笼目超导体CsV3Sb5中观测到了旋子配对密度波（Nature 599, 226 (2021)）。该工作受到国际超导研究领域的广泛关注和高度重视，并掀起了配对密度波研究的浪潮。同年，美国的Séamus Davis团队在过渡金属硫族化合物NbSe2中也观测到了配对密度波（Science 372, 1447 (2021)）。

紧接着，该领域的前沿探索者们分别在三个不同的非常规超导材料体系中均观测到了配对密度波。

（1）在磁性与超导共存的铁基超导体EuRbFe4As4中，Kazuhiro Fujita教授等人发现周期大致为8个晶格长度的非公度配对密度波 （图1(a)）。该配对密度波同时破坏旋转对称性和平移对称性，是一种具有层列相 （smectic） 的配对密度波。超导空间调制现象在磁性转变温度点附近消失，预示着该材料中的磁性层与超导层存在一定的相互作用，为配对密度波的原子层间调制开辟了新的方向 （Nature 618, 940 (2023)）。

（2）在SrTiO3衬底上生长的单层Fe(Se,Te)薄膜中，Jian Wang（王健）教授和Ziqiang　Wang（汪自强）教授等发现了局域在晶格畴界处、周期为3.6倍的Fe-Fe间距的配对密度波（图1(b)）。该工作为深入理解非常规超导体中库珀对与其他关联电子态相互作用提供了一个理想的低维材料研究平台（Nature 618, 934 (2023)）。

（3）在自旋三态超导体材料UTe2中，Vidya Madhaven等观测到奇特的随外部磁场演变、沿三个方向传播的非公度电荷密度波，并认为这个反常的电荷密度波来源于配对密度波。该工作对深入理解自旋三态超导体UTe2的序参量奠定了重要的基础 （Nature 618, 928 (2023)）。Séamus Davis等使用超导材料针尖构造约瑟夫森隧道异质结进行STM测量，证实了UTe2中存在配对密度波。他们认为UTe2中的配对密度波具有与电荷密度波相同的沿三个方向非公度周期，是一种自旋三态配对密度波（图1(c)）。由于自旋三态配对密度波只在超流体3He被实验观测到，作者认为该工作很可能是首次在固态超导材料中观测到自旋三态配对密度波 （Nature 618, 921 (2023)）。

图1. 在铁基超导体EuRbFe4As4（a）、二维铁基超导体Fe(Se, Te)薄膜（b） 和自旋三态超导体UTe2（c）中观测到配对密度波的示意图。

总言，目前的研究进展表明配对密度波几乎在不同的非常规超导体系中普遍存在。这些进展对后续深入研究并理解非常规超导体中的超导特性、电子关联以及多种交缠序之间的关系奠定了坚实的基础。

特别值得指出的是，在国际上超导领域这一波研究配对密度波的浪潮中，中国科学院物理研究所及其合作者的突破性工作引领了该方向的发展。

转自：“蔻享学术”微信公众号

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