近日，南方科技大學(xué)物理系殷嘉鑫副教授課題組帶領(lǐng)一支由中國(guó)、瑞士、德國(guó)和新加坡學(xué)者組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在磁性超導(dǎo)調(diào)控方向取得進(jìn)展，報(bào)道了南科大量子奇點(diǎn)與演生物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到的手性籠目超導(dǎo)振蕩，刷新了電子譜學(xué)空間能量分辨率的世界紀(jì)錄（1μeV）。相關(guān)成果以“Chiral kagome superconductivity modulations with residual Fermi arcs”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature上。
圖1 籠目超導(dǎo)體內(nèi)手性超導(dǎo)振蕩示意圖。
磁性與超導(dǎo)一般被認(rèn)為是兩種互斥的量子態(tài)，然而物理巨匠Matthias和Anderson早在1958年就考慮過(guò)二者在晶格阻挫體系中的關(guān)聯(lián)，并提出了磁性超導(dǎo)的可能性[PRL 1, 449 (1958)；PR 116, 898 (1959)]。籠目（kagome）晶格是由頂點(diǎn)互相連接的三角形組成的圖案，是一種具有幾何阻挫的晶格結(jié)構(gòu)。在2023年，殷嘉鑫與考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)籠目起源于兩千兩百年前秦漢時(shí)代的中華民俗文化[《物理》3，157 (2023)]。自2018年起，殷嘉鑫與合作者報(bào)道了一系列關(guān)于籠目磁體和超導(dǎo)體中的量子調(diào)控的研究成果，推進(jìn)了前沿研究的新方向：拓?fù)浠\目材料。在2022年發(fā)表在Nature的綜述文章中，殷嘉鑫等人指出，籠目超導(dǎo)體可以作為探索磁性超導(dǎo)的重要載體，并稱其為磁性融合的超導(dǎo)態(tài) （Magnetically intertwined superconductivity）[Nature 612, 647-657 (2022)]。在南科大校長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)和物理系的支持下，殷嘉鑫課題組于2022年建立了量子奇點(diǎn)與演生物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室對(duì)相關(guān)課題進(jìn)行攻關(guān)。他們搭建了極低溫超高能量分辨率的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，采用了師承潘庶亨的潘氏馬達(dá)技術(shù)路線，探索了兩個(gè)方向的研究:一個(gè)是對(duì)籠目磁體進(jìn)行量子調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，課題組發(fā)現(xiàn)了籠目自旋冰材料電子結(jié)構(gòu)中的局域磁激發(fā)模，可作為引起超導(dǎo)電子配對(duì)的玻色子模[PRL 133, 04603 (2024)]；另一個(gè)是對(duì)已知的籠目超導(dǎo)體進(jìn)行高分辨率的譜學(xué)表征，探究其可存在的時(shí)間反演對(duì)稱性破缺性質(zhì)，其中一項(xiàng)工作成果已在Nature期刊上發(fā)表，另一項(xiàng)成果同時(shí)上線以封面形式發(fā)表在Chinese Physics Letters [CPL 41, 097401 (2024)]，.這項(xiàng)Nature工作報(bào)道了殷嘉鑫團(tuán)隊(duì)在籠目超導(dǎo)體KV3Sb5和CsV3Sb5的發(fā)現(xiàn)，而CPL則報(bào)道了他們?cè)赗bV3Sb5中的類似發(fā)現(xiàn)。研究人員觀測(cè)到的手性超導(dǎo)能隙振蕩，振蕩周期為2×2。在動(dòng)量空間中2×2的三組散射峰強(qiáng)度不同，由弱到強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)方向可以定義出超導(dǎo)能隙震蕩的手性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)能隙振蕩的手性可以被施加的外磁場(chǎng)調(diào)控成順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步用超導(dǎo)針尖實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)約瑟夫森隧道結(jié)來(lái)探測(cè)局域配對(duì)電子密度，并觀測(cè)配對(duì)電子密度也具有2×2的手性振蕩。
圖2. 周期為2a的超導(dǎo)能隙振蕩和約瑟夫森零能峰振蕩。
圖3 2×2手性配對(duì)密度波關(guān)鍵證據(jù)。
綜合以上發(fā)現(xiàn)，研究人員得出籠目超導(dǎo)體的手性配對(duì)密度波證據(jù)，這種配對(duì)密度波破壞時(shí)間反演對(duì)稱性，其散射周期被確定為與體態(tài)電荷序吻合的2×2，厘清了學(xué)術(shù)界在配對(duì)密度波波矢上的爭(zhēng)議。圖2為在一個(gè)方向上觀測(cè)到的超導(dǎo)能隙振蕩和配對(duì)電子密度振蕩；圖3為對(duì)振蕩在二維空間中的手性表征。
圖4 剩余波戈留波夫費(fèi)米弧的證據(jù)。
在發(fā)現(xiàn)了手性配對(duì)密度波后，研究人員發(fā)現(xiàn)在有限電子動(dòng)量配對(duì)這個(gè)研究領(lǐng)域還有其它重要的解釋需要考究：其中一個(gè)解釋是于淥在1965年發(fā)現(xiàn)的拆對(duì)散射機(jī)理[Acta Phy Sin 21，75-91 (1965)]。對(duì)此，殷嘉鑫團(tuán)隊(duì)在《物理學(xué)報(bào)》以“超導(dǎo)能隙震蕩：到底來(lái)自配對(duì)密度波還是拆對(duì)散射？”為題撰寫(xiě)了評(píng)論文章[Acta Phys Sin 73, 15, 157401 (2024)]。文章指出，在配對(duì)密度波存在的情況下，超導(dǎo)能隙只在動(dòng)量空間的部分費(fèi)米面打開(kāi)，而系統(tǒng)中可以存在殘留的費(fèi)米面作為波戈留波夫費(fèi)米面，并與能隙的振蕩形成嚴(yán)格的實(shí)空間-動(dòng)量空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。這層對(duì)應(yīng)關(guān)系可以為有限動(dòng)量電子配對(duì)提供證據(jù)鏈。在此思路的指引下，研究人員系統(tǒng)地測(cè)量了不同溫度下的準(zhǔn)粒子散射譜，用以探測(cè)費(fèi)米面的形狀。他們發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的溫度下，系統(tǒng)依然保留有費(fèi)米弧（圖4），可作為波戈留波夫費(fèi)米面存在的證據(jù)。
圖5 有限動(dòng)量電子配對(duì)的磁性超導(dǎo)態(tài)的證據(jù)鏈。殷嘉鑫團(tuán)隊(duì)還通過(guò)建立超導(dǎo)序參量的振蕩與波戈留波夫費(fèi)米面在幾何上的聯(lián)系，揭示了籠目超導(dǎo)體基態(tài)的非常規(guī)之處為：空間均一的超導(dǎo)主要發(fā)生在Sb的p軌道上，而非V的d軌道, 主要原因是V的d軌道在高溫就形成了破壞時(shí)間反演對(duì)稱性的手性電荷序; 進(jìn)入超導(dǎo)后，Sb-p軌道上的超導(dǎo)和V-d軌道的2×2手性電荷振蕩進(jìn)行耦合，形成了一種特殊的p-d軌道混合的手性配對(duì)密度波。研究過(guò)程中的觀測(cè)和分析最終為有限動(dòng)量配對(duì)的磁性超導(dǎo)態(tài)提供了完整的證據(jù)鏈（圖5）。值得注意的是，在此項(xiàng)目中實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的能隙振蕩的空間能量分辨率達(dá)到了1μeV量級(jí)，刷新了此前由美國(guó)康奈爾大學(xué)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士Seamus Davis課題組在2023年創(chuàng)造的10μeV量級(jí)的世界紀(jì)錄。達(dá)到如此高的分辨率需要同時(shí)做到極低電子溫度（90mK）,超高空間分辨率（0.1?），以及超隧微分電導(dǎo)高信噪比（300倍），顯示出了研究人員精湛的實(shí)驗(yàn)技藝。南科大物理系博士后鄧翰賓為論文的第一作者，南科大為論文第一單位。殷嘉鑫課題組成員還包括量子中心副研究員秦海浪、南科大物理系博士后劉國(guó)威和楊天宇。中國(guó)科學(xué)院物理研究所石友國(guó)課題組和北京理工大學(xué)王秩偉課題組為該項(xiàng)目提供了高質(zhì)量的單晶，中國(guó)科學(xué)院理論研究所吳賢新課題組為該項(xiàng)目提供了理論支持，他們與殷嘉鑫副教授為此工作的共同通訊作者。這項(xiàng)工作受到了中國(guó)科技部、自然科學(xué)基金委、深圳科創(chuàng)委和廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)的資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07798-y
