近日，南方科技大學(xué)物理系副教授殷嘉鑫課題組組織一支國際團隊在磁性超導(dǎo)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(dǎo)態(tài)，并開發(fā)了系統(tǒng)研究磁性超導(dǎo)的高分辨率電子譜學(xué)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(xué)術(shù)期刊 Nature Materials 上。

圖1.時間反演對稱性破缺的籠目超導(dǎo)態(tài)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。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年發(fā)表在《物理》的論文中，殷嘉鑫指出籠目晶格結(jié)構(gòu)起源于兩千兩百年前秦漢時代的中華民俗文化。自2018年起，殷嘉鑫與合作者報道了一系列籠目磁體和超導(dǎo)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?fù)浠\目材料。2022年，殷嘉鑫等人在Nature綜述文章中指出，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）。

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(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)電子配對的玻色子模；另一個是對已知的籠目超導(dǎo)體進行高分辨率的譜學(xué)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 上。

圖2.完全打開的超導(dǎo)能隙與超導(dǎo)態(tài)內(nèi)產(chǎn)生的自發(fā)磁性

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(dǎo)體Cs(V,Ta)3Sb5中觀測到的非常規(guī)超導(dǎo)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(dǎo)能隙?？娮由⑸渥C實了他們的這個發(fā)現(xiàn)，并進一步顯示出在超導(dǎo)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(dǎo)態(tài)存在的可能性。圖2為相關(guān)的掃描隧道顯微譜學(xué)數(shù)據(jù)和繆子散射數(shù)據(jù)。

圖3.磁場非互易的超導(dǎo)電子結(jié)構(gòu)信號

為了進一步研究磁性超導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)起源，殷嘉鑫課題組開發(fā)了一種新型的高分辨率電子譜學(xué)測量方法。他們首先發(fā)現(xiàn)測量到的動量空間超導(dǎo)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(fù)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(dǎo)存在緊密相關(guān)：當(dāng)外加磁場大于超導(dǎo)臨界磁場，能量大于超導(dǎo)能隙，或者溫度高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時，這種信號都會消失。此外，研究人員還通過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(dǎo)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)信號均是磁性超導(dǎo)的重要證據(jù)。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，殷嘉鑫課題組在零磁場下對超導(dǎo)能隙展開了高分辨率的系統(tǒng)譜學(xué)測量。他們發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)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(xué)家推論的雜質(zhì)（Ta）在磁性超導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生微小震蕩相符合，其理論依據(jù)可以追溯到我國科學(xué)家于淥在1965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(dǎo)證據(jù)鏈：自發(fā)磁性與超導(dǎo)震蕩都是在零磁場下出現(xiàn)，超導(dǎo)震蕩與磁場非互易的電子信號都出現(xiàn)在Qα。

圖4 超導(dǎo)能隙的自發(fā)震蕩

通過第一性原理計算，殷嘉鑫課題組發(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(dǎo)機制。依據(jù)現(xiàn)有理論框架，他們得出超導(dǎo)序參量可能是一個復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)Δ1+iΔ2。該能隙函數(shù)與2009年MIT學(xué)者李雅達與文小剛在籠目超導(dǎo)態(tài)的推論（p+ip）不謀而合，也符合2012年南大學(xué)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(dǎo)理論可能還不夠完善，無法完美解釋磁性超導(dǎo)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(dǎo)仍然是一種未知的量子物態(tài)，研究磁性超導(dǎo)態(tài)的理論與實驗的結(jié)合還存在許多探索空間，未來有望取得更重要的發(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。北京理工大學(xué)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(xué)基金委、深圳科創(chuàng)委和廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01995-w

供稿：物理系

通訊員：許馨文

編輯：任奕霏