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特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。

原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）

編輯丨風云

自旋三重態拓撲超導體應該表現出許多前所未有的電子特性，包括與量子信息處理相關的分數化電子態。雖然UTe₂可能具有這種體拓撲超導性，但其超導序參量Δ(k)仍是未知的。在這種重費米子物質中，Δ(k)的許多不同形式在物理上是可能的。此外，自旋(SDW)、電荷(CDW)和配對(PDW)的密度波可以相互交織在一起，PDW表現出空間調制的特性，其中超導序參量Δ(r)、電子對密度和配對能隙。

有鑒于此，康奈爾大學Xiaolong Liu等人利用超導掃描隧道顯微鏡(STM)的針尖可視化了μev尺度能量分辨率的配對能隙。作者檢測到三個PDWs，每個PDW的峰對峰間隙調制約為10 μeV，并且在不相稱的波向量P_i=1,2,3上與之前的CDW的波向量Q_i=1,2,3無法區分。UTe₂超導PDWs和非超導CDWs的并行可視化表明，每個P_i:Q_i對都有一個相對的空間相位δ?≈π。根據這些觀察，并將UTe₂作為自旋三重態超導體，這種PDW態應該是自旋三重態PDW。雖然這種狀態在超流體³He中確實存在，但對于超導體來說，這是前所未有的。

PDW可視化

一般來說，PDW態是超導體，但具有空間調制的超導序參量。為了探索物理的UTe₂，首先需要同時可視化任何共存的CDW和PDW狀態。最近的實驗進展已經證明了兩種可視化PDW狀態的技術，可以通過正常-絕緣體-超導體(NIS)隧穿或超導-絕緣體-超導體(SIS)隧穿來可視化。

UTe₂正常狀態下CDW的可視化

UTe₂晶體通常分裂以顯示(0-11)表面，在溫度T = 4.2 K時，使用STM對該表面進行可視化，通過可視化這些表面的狀態g(r, E)的電子密度發現了CDW狀態。為了模擬這一點，在T = 4.2 K時使用等效切割表面上的非超導尖端測量了?25 mV < V < 25 mV的g(r, V)，最大值的反傅里葉濾波只顯示了UTe₂的不相稱CDW狀態。

圖  UTe₂的動量空間和實空間特性

NIS間隙邊緣的正尖PDW檢測

由于發現CDW對磁場表現出不同尋常的依賴性，并且由此假設該材料中可能存在PDW，作者考慮通過可視化其能量間隙中的空間調制來直接檢測UTe₂中的PDW。盡管UTe₂中三個PDW狀態的證據令人鼓舞，但由于相干峰較淺，其弱信噪比意味著傳統的dI/dV∣_NIS光譜不足以精確應用該材料中相關方程。

圖  UTe₂正常狀態CDW可視化

超導尖端PDW檢測

通過從具有高銳電導峰的尖端使用SIS隧道，可以大大提高準粒子的能量分辨率，dI/dV∣_NIS中最大值的幅度和銳度有了較大的增強。出現配對峰的能量的周期性變化是明顯的，直接表明E₊(r)和E_?(r)是周期性調制的，但能量方向相反，超導能隙調制完全是粒子-空穴對稱的。

圖  超導能隙的原子分辨率成像

可視化PDW和CDW的相互作用

作者在T=4.2 K的非超導狀態下可視化CDW，然后冷卻到T=280 mK，并在完全相同的視場下可視化PDW。CDW和PDW圖像以27 pm的精度配準到底層晶格和彼此。UTe₂的CDW和PDW狀態在空間上是不同的，然而，它們實際上是在空間中相關的，是彼此的近似負圖像。

圖  可視化UTe₂的PDW狀態

參考文獻：

Gu, Q., Carroll, J.P., Wang, S. et al. Detection of a pair density wave state in UTe2. Nature 618, 921–927 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05919-7

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06005-8