物理所发表关于超导中的配对密度波研究的观点性论文

近期，中国科学院物理研究所副研究员陈辉和研究员高鸿钧对目前受到广泛关注的超导中的配对密度波研究进行了评述。相关文章以Widespread pair density waves spark superconductor search（《广泛关注的配对密度波引发超导研究热潮》）为题，发表在《自然》“新闻-观点”（News & Views）栏目【Nature 618, 910-912 (2023)】上。

超导是电子在微观世界里两两配对组成库珀对后集体凝聚形成的宏观量子态。在传统的超导体内部，库珀对的两个电子有着相反的动量。因此，库珀对本身总动量为零，在超导体内均匀分布，不会在平衡态中呈现波动特性。1964年，理论学家Fulde P, Ferrell RA和Larkin AI, Ovchinnikov YN预言在有外部磁场，严格来说，在磁场的Zeeman能作用下，电子可以组成动量不为零的库珀对。这种库珀对凝聚形成的超导态就会呈现出波动的特性，称为 “FFLO”态。在没有磁场的情况下，动量不为零的库珀对形成的超导态被称为配对密度波（Pair Density Wave）。配对密度波的形成很可能反映体系内部的电子关联特性。理论上，配对密度波预言可以在电子关联很强的非常规超导体中出现；实验上，经过二十多年的努力，在强关联的铜基高温超导体中已寻找到配对密度波存在的证据。配对密度波是否可以在电子关联相对较弱的非常规超导体中出现？配对密度波是否是超导体系中由电子关联引发的普适现象？这对探究非常规的超导配对机理及电子关联物理极其重要。因此，在超导体中寻找配对密度波在凝聚态物理研究中备受关注。实验上能否在铜基超导体以外的超导体系中发现配对密度波是该领域面临的挑战，对超导研究颇为重要。

近几年，物理所高鸿钧院士团队开展了超导前沿探索研究。在他的带领下，陈辉和研究员杨海涛等首次在新型层状笼目超导体CsV₃Sb₅中观测到旋子配对密度波。该工作得到国际超导研究领域的广泛关注和高度重视，并掀起了配对密度波研究的浪潮。同年，Séamus Davis团队在过渡金属硫族化合物NbSe₂中观测到配对密度波。

该领域的前沿探索者分别在三个不同的非常规超导材料体系中均观测到了配对密度波。

（1）在磁性与超导共存的铁基超导体EuRbFe₄As₄中，Kazuhiro Fujita等发现周期大致为8个晶格长度的非公度配对密度波 （图1a）。该配对密度波同时破坏旋转对称性和平移对称性，是一种具有层列相 （smectic） 的配对密度波。超导空间调制现象在磁性转变温度点附近消失，预示着该材料中的磁性层与超导层存在一定的相互作用，为配对密度波的原子层间调制开辟了新方向【Nature 618, 940 (2023)】。

（2）在SrTiO₃衬底上生长的单层Fe(Se,Te)薄膜中，王健和汪自强等发现了局域在晶格畴界处、周期为3.6倍的Fe-Fe间距的配对密度波（图1(b)）。该工作为探索非常规超导体中库珀对与其他关联电子态相互作用提供了理想的低维材料研究平台【Nature 618, 934 (2023)】。

（3）在自旋三态超导体材料UTe₂中，Vidya Madhaven等观测到奇特的随外部磁场演变、沿三个方向传播的非公度电荷密度波，并认为这个反常的电荷密度波来源于配对密度波。该工作对探讨自旋三态超导体UTe₂的序参量奠定了重要的基础 （Nature 618, 928 (2023)）。Séamus Davis等使用超导材料针尖构造约瑟夫森隧道异质结进行STM测量，证实了UTe₂中存在配对密度波。研究认为UTe₂中的配对密度波具有与电荷密度波相同的沿三个方向非公度周期，是一种自旋三态配对密度波（图1c）。由于自旋三态配对密度波只在超流体3He被实验观测到，研究认为该工作很可能是首次在固态超导材料中观测到自旋三态配对密度波【Nature 618, 921 (2023)】。

目前的研究进展表明配对密度波几乎在不同的非常规超导体系中普遍存在。这些进展对后续深入研究并理解非常规超导体中的超导特性、电子关联以及多种交缠序之间的关系奠定了坚实的基础。

在国际上超导领域这一波研究配对密度波的浪潮中，物理所及合作者的突破性工作引领了该方向的发展。

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