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原創丨百年孤寂（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
超導現象是指電阻率在臨界溫度以下突然消失。1911年科學家在固體汞中發現的超導性直到1957年仍然是一個無法解開的謎團，當時物理學家Bardeen、Cooper和Schrieffer提出了解釋這一現象的理論 。根據 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理論，當電子形成對以允許電流以零電阻流動的方式時，就會出現超導性。然后，在1964年，Fulde和Ferrell以及 Larkin 和 Ovchinnikov指出，在存在磁場的情況下，可能會形成不同類型的超導電子對。然而，盡管科學人員進行了激烈的探索，但事實證明很難找到這種Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO)超導狀態的直接證據。
有鑒于此，日本京都大學K. Ishida和K. Kinjo等人報告了在層狀鈣鈦礦Sr2RuO4中觀察到FFLO驅動的自旋密度調制。他們的研究結果表明存在不均勻超導性，這是FFLO狀態的標志，并且可以提供探索超導多樣性的替代途徑。其特殊之處在于必須首先討論標準情況，特性可以用BCS框架解釋的超導體稱為“常規超導體”。當這些材料中出現超導性時，電子對通過稱為自旋單重態配對的機制由相反自旋電子組成。此外，電子對不攜帶動量，使超導狀態均勻分布。在傳統的超導體中，外部磁場的存在會使電子對不穩定，因為自旋平行和反平行于磁場的電子獲得不同的能量。如果由此產生的能量差（稱為塞曼分裂）足夠大，則磁場可以使電子不成對，并且材料將恢復其正常的非超導狀態。然而，在某些條件下，超導狀態可以在這種情況下保留下來。電子可以形成一種不尋常的電子對，攜帶非零動量（見圖）。這種類型的配對創建了FFLO狀態，其特征在于由配對的動量引起的空間調制。然而，FFLO狀態很難在材料中誘導和觀察，因為它很容易不穩定。如果超導體處于清除極限狀態下，即電子可以移動而不會被散射足夠長的距離，那么它的實現過程就是有利的。對于 FFLO狀態的出現更重要的是，塞曼分裂必須是主要機制，否則會破壞材料中的超導性。然而，在大多數超導體中，其他成對斷裂機制更強。
圖1.具有非零動量的電子對
由于對塞曼分裂的敏感性，具有重載流子的二維系統是探索FFLO狀態的良好候選者。目前科研人員已在層狀重費米子和某些二維有機材料中報道了FFLO狀態的特征。考慮到這些因素，Kinjo等人研究了層狀鈣鈦礦Sr2RuO4。其具有FFLO系統的基本特性：它處于清除極限，同時是分層的，并且具有較大有效質量的電荷載流子。然而，長期以來，Sr2RuO4被認為是手性自旋三重態超導體，因此是一種不能擁有FFLO狀態的系統。這是因為自旋三重態超導體具有自旋指向相同方向的電子對，因此，塞曼分裂不會破壞它們。
Sr2RuO4是實現自旋三重態超導（一種非常罕見的現象）狀態的研究熱點。但是，隨著時間的推移，很明顯并非所有對Sr2RuO4的實驗觀察結果都與手性自旋三重態描述一致。在越來越多的無法解釋的觀察結果中，隨著磁場的增加，有一個從超導到正常狀態的不連續轉變。在自旋單線態超導體中，這種行為可以通過塞曼分裂來解釋。然而，這樣的解釋與公認的手性自旋三重態圖相矛盾。最初，已有的系統的測量并沒有質疑既定觀點，而是促使人們尋找這些不一致的替代解釋，同時保留手性自旋三重態解釋。然而，共識在過去幾年開始轉變，當時收集了更明確的反對手性自旋三重態圖像的證據。這種范式變化還暗示塞曼分裂確實可以破壞電子對，因此該階段可能是FFLO狀態的理想選擇。
在層狀鈣鈦礦Sr2RuO4中發現可能的FFLO狀態為對難以捉摸的超導狀態進行更深入的研究鋪平了道路。Kinjo等人提出的證據極具說服力，但仍然是間接的。我們仍然需要確鑿的證據來實現對超導有序參數的空間調制的直接測量。目前，Sr2RuO4已被證明是一個比較完美的模型系統。它可能不是手性自旋三重態超導體，但它在FFLO驅動的自旋密度調制的探索方面是獨一無二的存在。
文獻信息：
Eva Pavarini. Superconductors gain momentum Science, 2022, 376, 350-351
DOI: 10.1126/science.abn3794
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn3794
