中国团队取得高温超导新突破！| Nature速递

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授课题组与波士顿学院汪自强教授、上海大学张燚副研究员合作，在二维铁基高温超导体Fe(Te,Se)薄膜中发现了本征配对密度波。

该工作以“单层铁基高温超导体中的配对密度波态”（Pair density wave state in a monolayer high-Tc iron-based superconductor）为题，于2023年6月28日在线发表于学术期刊《自然》（Nature）。王健和汪自强为共同通讯作者，北京大学物理学院量子材料科学中心博雅博士后刘彦昭与博士生魏天恒为共同第一作者，合作者还包括量子材料科学中心博士后何冠阳和上海大学张燚。

——这一工作是首次在铁基超导体中观测到本征配对密度波，为研究非常规超导体中的配对密度波，非常规高温超导电性以及拓扑电子态提供了一个全新的低维高温超导平台。

超导体是在冷却到仅几开尔文的温度时表现出零电阻的材料。

作为一种宏观量子物态，超导体具备零电阻和完全抗磁性等独特的物理特性，在医疗、信息、交通、能源、量子科技等众多领域具有重要的应用价值，百余年来受到了学术界和工业界的广泛关注。

——不过，要利用超导体的非凡特性进行实际应用（例如在能源传输和电子领域），需要在更高温度下进行超导的材料。

BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超导微观理论指出，超导起源于自旋和动量相反的两个电子结合形成的零质心动量库珀对（Cooper pairs）相干凝聚。然而，当时间反演对称性被破坏时（如施加强磁场），理论上超导体中自旋相反的两个电子可以形成质心动量不为零的库珀对，对应的超导序参量在实空间中呈现出周期性调制（波动）特征——即著名的FFLO（Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov）态。

虽然早在1964年FFLO态就被提出，但这一特殊超导态的实现对于材料和实验条件有着非常苛刻的要求。直到今天，FFLO态存在的直接证据（譬如实空间中周期性波动的超导序参量），实验上仍然很难获得。

此次，王健课题组利用超高真空分子束外延（MBE）技术在钛酸锶衬底上成功制备出大尺度、高质量的单层铁碲硒（Fe(Te,Se)）高温超导薄膜，其超导能隙高达18 meV——远大于块材铁碲硒（一种重要的拓扑超导候选材料）。

在前期的相关研究中，王健课题组在单层Fe(Te,Se)薄膜的一维原子缺陷链两端观测到了稳定存在的零能束缚态，其特征与马约拉纳零能模相吻合[Nat. Phys. 16, 536-540 (2020)]。

在本工作中，王健课题组通过原位低温（4.3 K）扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）技术，对单层Fe(Te,Se)薄膜表面的另一种自发形成的原子级缺陷——晶格沿Fe原子最近邻方向挤压形成的畴界展开了系统研究（图1a-d）。课题组首先测量了畴界处局域态密度的空间分布，观测到了具有实空间周期性调制的局域态密度信号（图1e-f）。利用二维锁相分析技术（图1g-h），课题组确定了这种调制的周期约为3.6aFe（aFe为最近邻Fe原子之间的距离），并且没有色散，是典型的电荷序引起的空间调制信号。

图1

进一步的能量依赖实验表明局域态密度的周期性调制主要存在于超导能隙之中，说明这一电荷序与薄膜的超导态之间存在关联性。

随后，课题组进一步对畴界处可能存在的配对密度波展开了系统测量。如图2所示，课题组在畴界处依次观测到了超导相干峰高度（图2a-c）和超导能隙（图2d-g）的空间调制，周期同样为3.6aFe。这两个物理量与超导序参量直接相关，从而提供了二维铁基高温超导体中配对密度波的直接实验证据。

图2

确认了单层Fe(Te,Se)薄膜畴界处存在配对密度波后，课题组进一步在畴界处得到了周期为1.8aFe（配对密度波周期的一半）的电荷密度波存在的证据。通过对配对密度波（周期为3.6aFe）和电荷密度波（周期为1.8aFe）的空间相位分布进行深入分析，确认了配对密度波空间相位分布中的π-相位变化位置（图3f中箭头所示）与电荷密度波相位分布中的涡旋位置（图3e和3f的黑点所示）存在明显的实空间对应关系。这一对应关系与理论预测的本征配对密度波序（图3a-b）及其诱导出的二阶电荷密度波序（图3c-d）特征一致，证实了所观测到的是本征配对密度波。

图3

为了解释畴界处配对密度波的微观机制，汪自强与张燚根据实验结果提出了相同自旋电子配对（equal-spin pairing）模型。由于畴界所在区域的空间反演对称性破缺导致Rashba与Dresselhaus自旋轨道耦合的存在，畴界处相同自旋的电子可以形成非零动量的库珀对，进而产生本征配对密度波。

基于该理论模型得到的模拟计算结果与实验数据基本一致，表明畴界处的配对密度波可能具有自旋三重态的拓扑超导特征。

电子密度的周期性调制被称为对密度波。

不止此次研究，已有四个研究小组在《自然》杂志上报告说，对密度波实际上比以前认为的更普遍：他们观察到这些波在三种不同的材料中存在。

不同超导体中的配对密度波

寻找配对密度波的一个强有力的工具被称为扫描隧道显微镜（STM）：一种以原子分辨率可视化材料中的量子状态的技术。使用STM寻找对密度波有不同的方法：

- 一种方法是在低温下寻找超导的特征，同时观察另一个被称为电荷密度波的阶段，其中电荷的浓度在材料中定期变化。这是因为对密度波有望过渡到电荷密度波阶段，这在高温下可以持续存在。

- 另一种方法是检测“超导间隙(superconducting gap)”的周期性变化，它是材料中电子允许能量的一个缺口，与库珀对的密度直接相关。

STM实验已经在铜酸盐（由氧化铜层组成的材料）中检测到了配对密度波。不过，学界一直不清楚配对密度波是在大多数超导材料中普遍存在，还是只在这些特定的少数材料中存在。理论表明，它们应该存在于其他材料中因此研究人员继续使用STM来寻找其他超导体中的对密度波。

一个有希望承载配对密度波的候选材料是由含铁化合物制成的一类超导体。这些材料与铜酸盐相似，因为它们表现出各种电子状态，包括向列（液态结晶）秩序和某种类型的磁秩序的条纹状图案。

基于这种相似性，同期发表在《自然》的一篇成果研究了铁基超导体EuRbFe4As4，它含有铕（Eu）、铷（Rb）和砷（As）。这种材料在冷却到大约37开尔文的温度时成为超导体，并且还表现出磁性；作者在这种材料中检测到了配对密度波秩序。

铁基超导体是分层材料，有些超导体在以单层形式存在时的温度比以多层形式存在时的温度高。王健和汪自强的这篇成果研究了在钛酸锶上生长的含有铁和硒或碲的单层薄膜中出现的配对密度波。这层薄膜提供了一个二维平台，可以研究通过电子之间的相互作用产生的状态之间的相互作用，以及高温超导体中非常规的库珀配对。

另一成果研究了二碲化铀。该小组的研究人员以前曾用STM显示了这种材料中一种特殊的超导性，即手性超导性。在这一发现的基础上，作者揭示了一种不寻常的电荷密度波秩序，它在三个方向传播、与超导性密切相关，并对磁场敏感。

这些调查代表了在对密度波的研究中向前迈出的关键一步，但它们也提出了几个问题：

在技术层面上，这些观察在很大程度上依赖于超低温下的原子解析成像技术。然而，这种方法只提供关于材料的结构和电荷分布的信息，使得区分对密度波和其他类型的密度波具有挑战性。因此，STM以外的技术对于进一步探索超导体中的配对密度波是至关重要的。

最后，值得注意的是，对密度波的实验研究仍处于早期阶段。在各种超导体中已经观察到了这种波的特征，但从这些波中出现的有序状态，以及它们与超导体中其他状态的相互作用方式，在很大程度上仍然没有得到探索。事实证明，发展对密度波的有效理论描述也很有挑战性，在这个方向上还需要进一步的工作。

上述研究为这一努力提供了充足的动力，并揭示了这些迷人的波可能出现的各种系统。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01996-w

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06072-x

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06103-7#author-information

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06005-8

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/sjK31bN0eacLEmww5-39Cw