近日，南方科技大學物理系殷嘉鑫副教授課題組帶領(lǐng)一支由中國、美國、丹麥、法國和新加坡學者組成的國際團隊在磁性超導調(diào)控方向取得進展。研究團隊報道了南科大量子奇點與演生物質(zhì)實驗室觀測到的時間反演對稱性破缺的籠目超導態(tài)，并開發(fā)了系統(tǒng)研究磁性超導的高分辨率電子譜學方法，相關(guān)成果以“Evidence for time-reversal symmetry-breaking kagome superconductivity”為題發(fā)表在國際學術(shù)期刊Nature Materials上。
圖1 時間反演對稱性破缺的籠目超導態(tài)示意圖。
磁性與超導一般被認為是兩種互斥的量子態(tài)，然而物理巨匠Matthias和Anderson早在1958年就考慮過二者在晶格阻挫體系中的關(guān)聯(lián)，并提出了磁性超導的可能性[PRL 1, 449 (1958)；PR 116, 898 (1959)]。籠目（kagome）晶格是由頂點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，殷嘉鑫與考古學家發(fā)現(xiàn)籠目起源于兩千兩百年前秦漢時代的中華民俗文化[《物理》3，157 (2023)]。自2018年起，殷嘉鑫與合作者報道了一系列籠目磁體和超導體中有關(guān)量子調(diào)控的研究成果，推進了前沿研究的新方向：拓撲籠目材料。2022年，殷嘉鑫等人在Nature綜述文章中指出，籠目超導體可以作為探索磁性超導的重要載體，并稱其為磁性融合的超導態(tài) （Magnetically intertwined superconductivity）[Nature 612, 647-657 (2022)]。
在南科大校長團隊和物理系的支持下，殷嘉鑫課題組于2022年建立了量子奇點與演生物質(zhì)實驗室對相關(guān)課題進行攻關(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技術(shù)路線，探索了兩個方向的研究:一個是對籠目磁體進行量子調(diào)控來實現(xiàn)超導態(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，可作為引起超導電子配對的玻色子模[PRL 133, 04603 (2024)]；另一個是對已知的籠目超導體進行高分辨率的譜學表征，探究其可存在的時間反演對稱性破缺性質(zhì)，其中一項工作成果已在Nature期刊上發(fā)表，另一項成果發(fā)表在Nature Materials.
這項在Nature Materials上發(fā)表的工作報道了殷嘉鑫團隊在籠目超導體Cs(V,Ta)3Sb5中觀測到的非常規(guī)超導量子態(tài)。研究人員用極低溫的掃描隧道顯微鏡觀測到由于Ta的摻雜，母體CsV3Sb5中的電荷序已經(jīng)不復(fù)存在，而是呈現(xiàn)出一個完全打開的超導能隙。繆子散射證實了他們的這個發(fā)現(xiàn)，并進一步顯示出在超導態(tài)下，材料自發(fā)產(chǎn)生了一個微小的磁性信號，這種信號意味著磁性超導態(tài)存在的可能性。圖2為相關(guān)的掃描隧道顯微譜學數(shù)據(jù)和繆子散射數(shù)據(jù)。
圖2.完全打開的超導能隙與超導態(tài)內(nèi)產(chǎn)生的自發(fā)磁性。
為了進一步研究磁性超導的電子結(jié)構(gòu)起源，殷嘉鑫團隊開發(fā)了一種新型的高分辨率電子譜學測量方法。他們首先發(fā)現(xiàn)測量到的動量空間超導電子結(jié)構(gòu)強度對外加磁場非常敏感。據(jù)此，他們先在正向磁場作用下測量電子結(jié)構(gòu)，然后再在相同大小的負磁場作用下測量電子結(jié)構(gòu)，最后對收集到的兩種信號進行減法，得到磁場非互易的信號。他們發(fā)現(xiàn)，該信號出現(xiàn)在一個特殊的動量波矢Qα上。研究人員進一步驗證了這種非互易信號與磁性超導是密切相關(guān)的：當外加磁場大于超導臨界磁場，能量大于超導能隙，或者溫度高于超導轉(zhuǎn)變時，這種信號都會消失。研究人員還利用多種手段排除了磁通漲落的影響。圖3為磁場非互易的超導電子結(jié)構(gòu)信號。
圖3 磁場非互易的超導電子結(jié)構(gòu)信號。
自發(fā)磁性信號與磁場非互易的電子結(jié)構(gòu)信號都是磁性超導的重要證據(jù)。然而，前者是繆子散射在零磁場下測量到的，而后者是掃描隧道顯微鏡在有限大小磁場下觀測到的，二者的連接還存在著斷裂。據(jù)此，殷嘉鑫團隊在零磁場下對超導能隙展開了高分辨率的系統(tǒng)譜學測量。他們發(fā)現(xiàn)，超導能隙在之前提到的Qα動量波矢里出現(xiàn)了小幅震蕩。這種震蕩與理論學家預(yù)言的雜質(zhì)（Ta）在磁性超導體內(nèi)會產(chǎn)生微小震蕩相符合，其理論依據(jù)最早可以追溯到我國科學家于淥在1065年發(fā)表的論文。至此，研究人員得到了完整的磁性籠目超導證據(jù)鏈：自發(fā)磁性與超導震蕩都是在零磁場下出現(xiàn)，超導震蕩與磁場非互易的電子信號都出現(xiàn)在Qα。
圖4 超導能隙的自發(fā)震蕩。
通過第一性原理計算，殷嘉鑫團隊發(fā)現(xiàn)材料的α能帶混合有Sb的p軌道與V的d軌道，p-d軌道雜化可能參與了磁性超導機制。依據(jù)現(xiàn)有理論框架，他們得出超導序參量可能是一個復(fù)雜數(shù)學函數(shù)Δ1+iΔ2。該能隙函數(shù)與2009年MIT學者李雅達與文小剛在籠目超導態(tài)的預(yù)言（p+ip）不謀而合，也符合2012年南大學者李建新的理論預(yù)測(d+id)。殷嘉鑫等人指出，目前磁性超導理論可能還不夠完善，無法完美解釋磁性超導預(yù)選材料Sr2RuO4與UTe2中觀測到的新奇現(xiàn)象，也無法解釋在Cs(Ta,V)3Sb5中的觀測到的所有關(guān)鍵細節(jié)。因此，磁性超導仍然是一種未知的量子物態(tài)，研究磁性超導態(tài)的理論與實驗的融合還有很多發(fā)展空間，未來將會有更重要的發(fā)現(xiàn)。
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南科大物理系博士后劉國威和楊天宇。北京理工大學王秩偉課題組為該項目提供了高質(zhì)量的單晶，他與殷嘉鑫副教授為此工作的共同通訊作者。這項工作受到了中國科技部、自然科學基金委、深圳科創(chuàng)委和廣東省量子科學戰(zhàn)略專項的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01995-w
