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、美国、丹麦、法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。研究团队报道了南科大量子奇点与演生物质实验室观测到的时间反演对称性破缺的笼目超导态，并开发了系统研究磁性超导的高分辨率电子谱学方法。
北京时间2024年8月28日17时，相关成果以“Evidence for time-reversal symmetry-breaking kagome superconductivity”为题发表在国际学术期刊Nature Materials上。
图1 时间反演对称性破缺的笼目超导态示意图。
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笼目磁体和超导体中有关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。2022年，殷嘉鑫等人在Nature综述文章中指出，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，另一项成果发表在Nature Materials。
这项在Nature Materials上发表的工作报道了殷嘉鑫团队在笼目超导体Cs(V,Ta)3Sb5中观测到的非常规超导量子态。研究人员用极低温的扫描隧道显微镜观测到由于Ta的掺杂，母体CsV3Sb5中的电荷序已经不复存在，而是呈现出一个完全打开的超导能隙。缪子散射证实了他们的这个发现，并进一步显示出在超导态下，材料自发产生了一个微小的磁性信号，这种信号意味着磁性超导态存在的可能性。图2为相关的扫描隧道显微谱学数据和缪子散射数据。
图2.完全打开的超导能隙与超导态内产生的自发磁性。
为了进一步研究磁性超导的电子结构起源，殷嘉鑫团队开发了一种新型的高分辨率电子谱学测量方法。他们首先发现测量到的动量空间超导电子结构强度对外加磁场非常敏感。据此，他们先在正向磁场作用下测量电子结构，然后再在相同大小的负磁场作用下测量电子结构，最后对收集到的两种信号进行减法，得到磁场非互易的信号。他们发现，该信号出现在一个特殊的动量波矢Qα上。研究人员进一步验证了这种非互易信号与磁性超导是密切相关的：当外加磁场大于超导临界磁场，能量大于超导能隙，或者温度高于超导转变时，这种信号都会消失。研究人员还利用多种手段排除了磁通涨落的影响。图3为磁场非互易的超导电子结构信号。
图3 磁场非互易的超导电子结构信号。
自发磁性信号与磁场非互易的电子结构信号都是磁性超导的重要证据。然而，前者是缪子散射在零磁场下测量到的，而后者是扫描隧道显微镜在有限大小磁场下观测到的，二者的连接还存在着断裂。据此，殷嘉鑫团队在零磁场下对超导能隙展开了高分辨率的系统谱学测量。他们发现，超导能隙在之前提到的Qα动量波矢里出现了小幅震荡。这种震荡与理论学家预言的杂质（Ta）在磁性超导体内会产生微小震荡相符合，其理论依据最早可以追溯到我国科学家于渌在1065年发表的论文。至此，研究人员得到了完整的磁性笼目超导证据链：自发磁性与超导震荡都是在零磁场下出现，超导震荡与磁场非互易的电子信号都出现在Qα。
图4 超导能隙的自发震荡。
通过第一性原理计算，殷嘉鑫团队发现材料的α能带混合有Sb的p轨道与V的d轨道，p-d轨道杂化可能参与了磁性超导机制。依据现有理论框架，他们得出超导序参量可能是一个复杂数学函数Δ1+iΔ2。该能隙函数与2009年MIT学者李雅达与文小刚在笼目超导态的预言（p+ip）不谋而合，也符合2012年南大学者李建新的理论预测(d+id)。殷嘉鑫等人指出，目前磁性超导理论可能还不够完善，无法完美解释磁性超导预选材料Sr2RuO4与UTe2中观测到的新奇现象，也无法解释在Cs(Ta,V)3Sb5中的观测到的所有关键细节。因此，磁性超导仍然是一种未知的量子物态，研究磁性超导态的理论与实验的融合还有很多发展空间，未来将会有更重要的发现。
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南科大物理系博士后刘国威和杨天宇。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，他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/s41563-024-01995-w
编辑 |张可
排版|夏天
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