研究背景
Sr2RuO4是具有層狀結構的鈣鈦礦型氧化物材料，首次在1994年報道了其超導性。與傳統的高溫超導材料如銅氧化物相比，Sr2RuO4作為一種非常規超導體，其具有獨特的超導對稱性和強電子相關性，成為量子材料中的典型代表之一。特別是它的超導性與自旋三重態配對的假設密切相關，這一假設曾被認為可能為超導體提供既能傳導電流又能傳導自旋的超電流。然而，盡管進行了大量的研究，這一假設至今仍未獲得最終確認，且Sr2RuO4的超導對稱性至今仍處于爭議之中。與傳統的超導材料相比，Sr2RuO4具有強烈的電子關聯效應和中等的自旋軌道耦合，這使得它的超導性非常獨特。它的常態表現出典型的費米液體行為，而與其他非傳統超導體如銅氧化物和鐵基超導體的常態相比，具有顯著不同的特性。Sr2RuO4的超導性非常依賴于樣品的質量，最佳單晶樣品的超導轉變溫度(Tc)為1.5K，這也加大了研究中的不確定性。為了解決這一問題，日本京都大學Y. Maeno, A. Ikeda & G. Mattoni三個學者在“Nature Physics”期刊上發表了題為“Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4”的最新論文。該團隊針對Sr2RuO4的超導性問題，開展了深入的實驗和理論研究，設計或制備了高質量的Sr2RuO4單晶。通過精確的角分辨光電子能譜（ARPES）和核磁共振（NMR）等實驗手段，研究團隊深入探討了其超導配對的自旋狀態和對稱性。 通過降低NMR實驗中的脈沖能量，團隊成功避免了由于樣品過熱引發的偽結果，進一步確認了Sr2RuO4在超導狀態下的自旋配對為自旋單重態，而非此前推測的自旋三重態配對。該發現對解決長時間存在的自旋三重態配對假設提出了挑戰，并為超導對稱性研究提供了新的視角。此外，通過進一步的實驗結果，研究人員還探討了是否存在水平節點，并且超導能隙的維度是1D還是2D的問題，為最終解決Sr2RuO4的超導對稱性問題奠定了基礎。
研究亮點
1. 實驗首次發現Sr2RuO4具有超導性，并且其超導臨界溫度Tc為1.5K，取決于樣品的質量。研究表明，Sr2RuO4的超導性與強烈的電子關聯和非常敏感的非磁性雜質相關，因此它被視為典型的量子材料。2. 實驗通過角分辨光電子能譜（ARPES）等先進技術，準確表征了Sr2RuO4的準二維電子結構。研究發現，Sr2RuO4的正常態展現出典型的費米液體性質，這與銅氧化物、鐵基超導體等其他非常規超導體的異常正常態性質有所不同。這些發現支持了對Sr2RuO4基本超導特性完整理解的可能性。3. 然而，關于Sr2RuO4超導對稱性的爭議仍未解決。盡管先前的研究曾提出自旋三重態超導的假設，但近年來的實驗結果，如核磁共振（NMR）和極化中子散射實驗，推翻了這一觀點，表明其超導對稱性可能為自旋單重態。特別是NMR實驗中，低能量脈沖的使用證明了樣品過熱效應的存在，并為正確定義自旋狀態提供了新的實驗條件。4. 目前，關于Sr2RuO4是否破缺時間反演對稱性（TRS）以及是否存在橫向節點的爭論依然激烈。這些爭議導致學界對于Sr2RuO4的超導對稱性仍未達成共識。因此，未來的研究需進一步解決這些關鍵問題，以最終確定其超導機制和對稱性。
圖文解讀
圖1: 利用區熔法floating-zone的Sr2RuO4晶體生長。
總結展望
本文選出了幾種有希望的Sr2RuO4超導態候選。這些候選按D4h點對稱性下允許的不可約表示進行分類，且不考慮晶格畸變。除了B1g d波態，這種超導態可能在四方晶格中形成超導域。Eg候選進一步分為兩種類型。一種是傳統的非常規配對，例如具有間隙各向異性Δ(k) = Δ0 kz (kx + iky)的手性d波態，另一種是奇異的軌道間配對。μSR的結果支持TRS破缺的二維Eg候選和雙成分一維序參量。剪切超聲的結果進一步支持TRS保持的nematic Eg候選。如果不存在額外的水平線節點，可能的態為B1g，帶有間隙函數。如果是這種情況，TRS保持不變，在單軸應變下沒有第二次轉變，需要重新解釋場角分辨的比熱，且超導域不形成。 Sr2RuO4超導性的30年歷史教會了我們，徹底理解一個非常規超導體是多么具有挑戰性。我們不止一次看到，雖然某些不可或缺的技術在專家中能夠給出可重復的結果，但仍需進行修正。在這方面，Sr2RuO4隨著現代凝聚態物理學的進步而不斷發展。正如漫畫所示，科學界可能仍然需要放棄一些傳統的認識，才能最終解開Sr2RuO4的謎團，全面揭開真相之門。Maeno, Y., Ikeda, A. & Mattoni, G. Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4. Nat. Phys. 20, 1712–1718 (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02656-0
