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《自然》：南方科技大学殷嘉鑫课题组发现量子可调磁性超导态
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近日，南方科技大学物理系殷嘉鑫副教授课题组带领一支由中国、瑞士、德国和新加坡学者组成的国际团队在磁性超导调控方向取得进展，报道了南科大量子奇点与演生物质实验室观测到的手性笼目超导振荡，刷新了电子谱学空间能量分辨率的世界纪录（1μeV）。
北京时间2024年8月21日23时，相关成果以“Chiral kagome superconductivity modulations with residual Fermi arcs”为题发表在国际学术期刊Nature上。
图1 笼目超导体内手性超导振荡示意图。
磁性与超导一般被认为是两种互斥的量子态，然而物理巨匠Matthias和Anderson早在1958年就考虑过二者在晶格阻挫体系中的关联，并提出了磁性超导的可能性[PRL 1, 449 (1958)；PR 116, 898 (1959)]。笼目（kagome）晶格是由顶点互相连接的三角形组成的图案，是一种具有几何阻挫的晶格结构。在2023年，殷嘉鑫与考古学家发现笼目起源于两千两百年前秦汉时代的中华民俗文化[《物理》3，157 (2023)]。自2018年起，殷嘉鑫与合作者报道了一系列关于笼目磁体和超导体中的量子调控的研究成果，推进了前沿研究的新方向：拓扑笼目材料。在2022年发表在Nature的综述文章中，殷嘉鑫等人指出，笼目超导体可以作为探索磁性超导的重要载体，并称其为磁性融合的超导态 （Magnetically intertwined superconductivity）[Nature 612, 647-657 (2022)]。
在南科大校长团队和物理系的支持下，殷嘉鑫课题组于2022年建立了量子奇点与演生物质实验室对相关课题进行攻关。他们搭建了极低温超高能量分辨率的扫描隧道显微镜系统，采用了师承潘庶亨的潘氏马达技术路线，探索了两个方向的研究：一个是对笼目磁体进行量子调控来实现超导态，课题组发现了笼目自旋冰材料电子结构中的局域磁激发模，可作为引起超导电子配对的玻色子模[PRL 133, 04603 (2024)]；另一个是对已知的笼目超导体进行高分辨率的谱学表征，探究其可存在的时间反演对称性破缺性质，其中一项工作成果已在Nature期刊上发表，另一项成果同时上线以封面形式发表在Chinese Physics Letters [CPL 41, 097401 (2024)]。
这项Nature工作报道了殷嘉鑫团队在笼目超导体KV3Sb5和CsV3Sb5的发现，而CPL则报道了他们在RbV3Sb5中的类似发现。研究人员观测到的手性超导能隙振荡，振荡周期为2×2。在动量空间中2×2的三组散射峰强度不同，由弱到强的旋转方向可以定义出超导能隙震荡的手性。通过实验发现，超导能隙振荡的手性可以被施加的外磁场调控成顺时针或者逆时针旋转。研究团队进一步用超导针尖实现了超导约瑟夫森隧道结来探测局域配对电子密度，并观测配对电子密度也具有2×2的手性振荡。
综合以上发现，研究人员得出笼目超导体的手性配对密度波证据，这种配对密度波破坏时间反演对称性，其散射周期被确定为与体态电荷序吻合的2×2，厘清了学术界在配对密度波波矢上的争议。图2为在一个方向上观测到的超导能隙振荡和配对电子密度振荡；图3为对振荡在二维空间中的手性表征。
图2. 周期为2a的超导能隙振荡和约瑟夫森零能峰振荡。
图3 2×2手性配对密度波关键证据。
在发现了手性配对密度波后，研究人员发现在有限电子动量配对这个研究领域还有其它重要的解释需要考究：其中一个解释是于渌在1965年发现的拆对散射机理[Acta Phy Sin 21，75-91 (1965)]。对此，殷嘉鑫团队在《物理学报》以“超导能隙震荡：到底来自配对密度波还是拆对散射？”为题撰写了评论文章[Acta Phys Sin 73, 15, 157401 (2024)]。文章指出，在配对密度波存在的情况下，超导能隙只在动量空间的部分费米面打开，而系统中可以存在残留的费米面作为波戈留波夫费米面，并与能隙的振荡形成严格的实空间-动量空间对应关系。这层对应关系可以为有限动量电子配对提供证据链。在此思路的指引下，研究人员系统地测量了不同温度下的准粒子散射谱，用以探测费米面的形状。他们发现在远低于超导转变的温度下，系统依然保留有费米弧（图4），可作为波戈留波夫费米面存在的证据。
图4 剩余波戈留波夫费米弧的证据。
殷嘉鑫团队还通过建立超导序参量的振荡与波戈留波夫费米面在几何上的联系，揭示了笼目超导体基态的非常规之处为：空间均一的超导主要发生在Sb的p轨道上，而非V的d轨道, 主要原因是V的d轨道在高温就形成了破坏时间反演对称性的手性电荷序; 进入超导后，Sb-p轨道上的超导和V-d轨道的2×2手性电荷振荡进行耦合，形成了一种特殊的p-d轨道混合的手性配对密度波。研究过程中的观测和分析最终为有限动量配对的磁性超导态提供了完整的证据链（图5）。值得注意的是，在此项目中实验探测到的能隙振荡的空间能量分辨率达到了1μeV量级，刷新了此前由美国康奈尔大学美国国家科学院院士Seamus Davis课题组在2023年创造的10μeV量级的世界纪录。达到如此高的分辨率需要同时做到极低电子温度（90mK）,超高空间分辨率（0.1），以及超隧微分电导高信噪比（300倍），显示出了研究人员精湛的实验技艺。
图5 有限动量电子配对的磁性超导态的证据链。
南科大物理系博士后邓翰宾为论文的第一作者，南科大为论文第一单位。殷嘉鑫课题组成员还包括量子中心副研究员秦海浪、南科大物理系博士后刘国威和杨天宇。中国科学院物理研究所石友国课题组和北京理工大学王秩伟课题组为该项目提供了高质量的单晶，中国科学院理论物理研究所吴贤新课题组为该项目提供了理论支持，他们与殷嘉鑫副教授为此工作的共同通讯作者。这项工作受到了中国科技部、自然科学基金委、深圳科创委和广东省量子科学战略专项的资助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07798-y
编辑 |张可
排版|夏天
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