科学家在“笼目”超导体中发现非常规配对密度波

doco2012

超导是电子在微观世界里两两配对组成库珀对后集体凝聚形成的宏观量子态。在传统的超导体内部，库珀对的两个电子有着相反的动量。因此，库珀对本身总动量为零，在超导体内均匀分布，不会在平衡态中呈现波动特性。1964年，理论学家Fulde P, Ferrell RA和Larkin AI, Ovchinnikov YN预言，在有外部磁场的情况下，严格来说，在磁场的Zeeman能作用下，电子可以组成动量不为零的库珀对。这种库珀对凝聚形成的超导态会呈现出波动的特性，称为“FFLO”态。

在没有磁场的情况下，动量不为零的库珀对能形成吗？这种情况下形成的超导态称为配对密度波（Pair Density Wave）。近年来，这一问题受到物理学家的关注。理论上，配对密度波被预言可在非常规超导体中出现；实验方面，经过多年努力，只有在铜基高温超导体中寻找到支持配对密度波存在的证据【Nature 552, 343 (2016)；Science 364, 976 (2019)；Nature 580, 65 (2020)】，但这些实验无法完全确立配对密度波的独立存在。

近年来，一种具有80-100 K电荷密度波转变温度的新型层状笼目（kagome）结构超导体，AV3Sb5（A= Cs, Rb, K）被合成出来。这种超导体因其独特的笼目结构而展现出强关联、拓扑以及多体效应，其丰富的物理吸引了大量的研究。目前，研究表明，该材料体系具有非常规超导性以及反常的手性电荷密度波，两者的同时出现预示着这类kagome超导体可能是配对密度波出现的理想载体。

近日，中国科学院物理研究所高鸿钧研究团队副研究员陈辉、杨海涛与博士研究生胡彬等，利用该团队自主设计组装的、居国际顶尖水平的极低温强磁场扫描隧道显微镜/谱（STM/S）联合系统，对笼目超导体CsV3Sb5开展了精确和系统研究。该团队与美国波士顿学院教授汪自强、以色列科学研究所教授颜炳海、中国人民大学教授雷和畅、物理所研究员董晓莉等合作。研究人员合成了高质量的新型层状笼目结构超导体CsV3Sb5。科研人员利用STM/S，实验发现，观察到两种2a0′2a0和单向条纹4a0电荷密度波共存的非常规超导态，并证实其具有smectic超导序；观察到不同于普通超导体中的配对密度波，这种配对密度波与超流态中的旋子（roton）激发态行为类似；观察到该配对密度波可以诱导产生具有相同空间调制的电荷密度波，其对应着±5 meV能量位置的“赝能隙”（pseudogap），可以在Tc以上的温度（4 K）和HC2以上的磁场（2T）观测到；观察到非超导态下的非相干的配对密度波以及相干情况下超导和配对密度波之间的耦合。这些配对密度波的性质不同于铜基高温超导体中的配对密度波性质，预示着这类笼目超导体中有着新颖的配对密度波形成机制。

这些结果不仅首次在原子尺度揭示了AV3Sb5的非常规超导态的独特性质，而且是实验上首次在铜基超导体外的超导体系发现非常规配对密度波，对研究配对密度波的形成机制以及揭示其和非常规超导体超导机理的关联有重要意义。

9月29日，相关研究成果以“加快发表”形式，在线发表在《自然》（Nature）上。研究工作得到科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。