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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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科學(xué)家在“籠目”超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)非常規(guī)配對密度波

2021-09-30 前沿科學(xué)與教育局物理研究所

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　　在沒有磁場的情況下，動(dòng)量不為零的庫珀對能形成嗎？這種情況下形成的超導(dǎo)態(tài)稱為配對密度波（Pair Density Wave）。近年來，這一問題受到物理學(xué)家的關(guān)注。理論上，配對密度波被預(yù)言可在非常規(guī)超導(dǎo)體中出現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)方面，經(jīng)過多年努力，只有在銅基高溫超導(dǎo)體中尋找到支持配對密度波存在的證據(jù)【Nature 552, 343 (2016)；Science 364, 976 (2019)；Nature 580, 65 (2020)】，但這些實(shí)驗(yàn)無法完全確立配對密度波的獨(dú)立存在。

　　近年來，一種具有80-100 K電荷密度波轉(zhuǎn)變溫度的新型層狀籠目（kagome）結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體，AV₃Sb₅（A= Cs, Rb, K）被合成出來。這種超導(dǎo)體因其獨(dú)特的籠目結(jié)構(gòu)而展現(xiàn)出強(qiáng)關(guān)聯(lián)、拓?fù)湟约岸囿w效應(yīng)，其豐富的物理吸引了大量的研究。目前，研究表明，該材料體系具有非常規(guī)超導(dǎo)性以及反常的手性電荷密度波，兩者的同時(shí)出現(xiàn)預(yù)示著這類kagome超導(dǎo)體可能是配對密度波出現(xiàn)的理想載體。

　　近日，中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)副研究員陳輝、楊海濤與博士研究生胡彬等，利用該團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)組裝的、居國際頂尖水平的極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡/譜（STM/S）聯(lián)合系統(tǒng)，對籠目超導(dǎo)體CsV₃Sb₅開展了精確和系統(tǒng)研究。該團(tuán)隊(duì)與美國波士頓學(xué)院教授汪自強(qiáng)、以色列科學(xué)研究所教授顏炳海、中國人民大學(xué)教授雷和暢、物理所研究員董曉莉等合作。研究人員合成了高質(zhì)量的新型層狀籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體CsV₃Sb₅?？蒲腥藛T利用STM/S，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，觀察到兩種2a0′2a0和單向條紋4a0 電荷密度波共存的非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)，并證實(shí)其具有smectic超導(dǎo)序；觀察到不同于普通超導(dǎo)體中的配對密度波，這種配對密度波與超流態(tài)中的旋子（roton）激發(fā)態(tài)行為類似；觀察到該配對密度波可以誘導(dǎo)產(chǎn)生具有相同空間調(diào)制的電荷密度波，其對應(yīng)著±5 meV能量位置的“贗能隙”（pseudogap），可以在Tc以上的溫度（4 K）和HC₂以上的磁場（2T）觀測到；觀察到非超導(dǎo)態(tài)下的非相干的配對密度波以及相干情況下超導(dǎo)和配對密度波之間的耦合。這些配對密度波的性質(zhì)不同于銅基高溫超導(dǎo)體中的配對密度波性質(zhì)，預(yù)示著這類籠目超導(dǎo)體中有著新穎的配對密度波形成機(jī)制。

　　這些結(jié)果不僅首次在原子尺度揭示了AV₃Sb₅的非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)的獨(dú)特性質(zhì)，而且是實(shí)驗(yàn)上首次在銅基超導(dǎo)體外的超導(dǎo)體系發(fā)現(xiàn)非常規(guī)配對密度波，對研究配對密度波的形成機(jī)制以及揭示其和非常規(guī)超導(dǎo)體超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)聯(lián)有重要意義。

　　9月29日，相關(guān)研究成果以“加快發(fā)表”形式，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。

　　論文鏈接

圖1.CsV₃Sb₅的原子結(jié)構(gòu)與解理面的STM圖像

圖2.CsV₃Sb₅的微分電導(dǎo)譜中的V形超導(dǎo)能隙以及應(yīng)用超導(dǎo)針尖觀測到的約瑟夫森效應(yīng)

圖3.CsV₃Sb₅在±5 meV能量內(nèi)伴隨對超導(dǎo)能隙、相干峰和隧穿電導(dǎo)的能隙深度的雙向4/3倍晶格空間調(diào)制

圖4.在300 mK施加垂直磁場以及4.2 K零磁場下觀測到的配對密度波以及贗能隙

　　超導(dǎo)是電子在微觀世界里兩兩配對組成庫珀對后集體凝聚形成的宏觀量子態(tài)。在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體內(nèi)部，庫珀對的兩個(gè)電子有著相反的動(dòng)量。因此，庫珀對本身總動(dòng)量為零，在超導(dǎo)體內(nèi)均勻分布，不會在平衡態(tài)中呈現(xiàn)波動(dòng)特性。1964年，理論學(xué)家Fulde P, Ferrell RA和Larkin AI, Ovchinnikov YN預(yù)言，在有外部磁場的情況下，嚴(yán)格來說，在磁場的Zeeman能作用下，電子可以組成動(dòng)量不為零的庫珀對。這種庫珀對凝聚形成的超導(dǎo)態(tài)會呈現(xiàn)出波動(dòng)的特性，稱為“FFLO”態(tài)。
　　在沒有磁場的情況下，動(dòng)量不為零的庫珀對能形成嗎？這種情況下形成的超導(dǎo)態(tài)稱為配對密度波（Pair Density Wave）。近年來，這一問題受到物理學(xué)家的關(guān)注。理論上，配對密度波被預(yù)言可在非常規(guī)超導(dǎo)體中出現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)方面，經(jīng)過多年努力，只有在銅基高溫超導(dǎo)體中尋找到支持配對密度波存在的證據(jù)【Nature 552, 343 (2016)；Science 364, 976 (2019)；Nature 580, 65 (2020)】，但這些實(shí)驗(yàn)無法完全確立配對密度波的獨(dú)立存在。
　　近年來，一種具有80-100 K電荷密度波轉(zhuǎn)變溫度的新型層狀籠目（kagome）結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體，AV3Sb5（A= Cs, Rb, K）被合成出來。這種超導(dǎo)體因其獨(dú)特的籠目結(jié)構(gòu)而展現(xiàn)出強(qiáng)關(guān)聯(lián)、拓?fù)湟约岸囿w效應(yīng)，其豐富的物理吸引了大量的研究。目前，研究表明，該材料體系具有非常規(guī)超導(dǎo)性以及反常的手性電荷密度波，兩者的同時(shí)出現(xiàn)預(yù)示著這類kagome超導(dǎo)體可能是配對密度波出現(xiàn)的理想載體。
　　近日，中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)副研究員陳輝、楊海濤與博士研究生胡彬等，利用該團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)組裝的、居國際頂尖水平的極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡/譜（STM/S）聯(lián)合系統(tǒng)，對籠目超導(dǎo)體CsV3Sb5開展了精確和系統(tǒng)研究。該團(tuán)隊(duì)與美國波士頓學(xué)院教授汪自強(qiáng)、以色列科學(xué)研究所教授顏炳海、中國人民大學(xué)教授雷和暢、物理所研究員董曉莉等合作。研究人員合成了高質(zhì)量的新型層狀籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體CsV3Sb5?？蒲腥藛T利用STM/S，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，觀察到兩種2a0′2a0和單向條紋4a0 電荷密度波共存的非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)，并證實(shí)其具有smectic超導(dǎo)序；觀察到不同于普通超導(dǎo)體中的配對密度波，這種配對密度波與超流態(tài)中的旋子（roton）激發(fā)態(tài)行為類似；觀察到該配對密度波可以誘導(dǎo)產(chǎn)生具有相同空間調(diào)制的電荷密度波，其對應(yīng)著±5 meV能量位置的“贗能隙”（pseudogap），可以在Tc以上的溫度（4 K）和HC2以上的磁場（2T）觀測到；觀察到非超導(dǎo)態(tài)下的非相干的配對密度波以及相干情況下超導(dǎo)和配對密度波之間的耦合。這些配對密度波的性質(zhì)不同于銅基高溫超導(dǎo)體中的配對密度波性質(zhì)，預(yù)示著這類籠目超導(dǎo)體中有著新穎的配對密度波形成機(jī)制。
　　這些結(jié)果不僅首次在原子尺度揭示了AV3Sb5的非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)的獨(dú)特性質(zhì)，而且是實(shí)驗(yàn)上首次在銅基超導(dǎo)體外的超導(dǎo)體系發(fā)現(xiàn)非常規(guī)配對密度波，對研究配對密度波的形成機(jī)制以及揭示其和非常規(guī)超導(dǎo)體超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)聯(lián)有重要意義。
　　9月29日，相關(guān)研究成果以“加快發(fā)表”形式，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。
　　論文鏈接
　　圖1.CsV3Sb5的原子結(jié)構(gòu)與解理面的STM圖像
　　圖2.CsV3Sb5的微分電導(dǎo)譜中的V形超導(dǎo)能隙以及應(yīng)用超導(dǎo)針尖觀測到的約瑟夫森效應(yīng)
　　圖3.CsV3Sb5在±5 meV能量內(nèi)伴隨對超導(dǎo)能隙、相干峰和隧穿電導(dǎo)的能隙深度的雙向4/3倍晶格空間調(diào)制
　　
　　圖4.在300 mK施加垂直磁場以及4.2 K零磁場下觀測到的配對密度波以及贗能隙
　　

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