科學家發現未知磁性超導態

近日，南方科技大學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調控方向取得進展。研究團隊報道了南科大量子奇點與演生物質實驗室觀測到的時間反演對稱性破缺的籠目超導態，并開發了系統研究磁性超導的高分辨率電子譜學方法，相關成果發表于《自然—材料》上。

該研究中，殷嘉鑫團隊在籠目超導體Cs(V,Ta)₃Sb₅中觀測到的非常規超導量子態。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中的電荷序已經不復存在，而是呈現出一個完全打開的超導能隙。通過繆子散射進一步發現，在超導態下，觀測的材料自發產生了一個微小的磁性信號，這種信號意味著磁性超導態存在的可能性。

為了進一步研究磁性超導的電子結構起源，研究團隊開發了一種新型的高分辨率電子譜學測量方法，發現測量到的動量空間超導電子結構強度對外加磁場非常敏感。對此，他們先在正向磁場作用下測量電子結構，然后在相同大小的負磁場作用下測量電子結構，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。他們發現，該信號出現在一個特殊的動量波矢Qα上，當外加磁場大于超導臨界磁場，能量大于超導能隙，或溫度高于超導轉變時，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。

自發磁性信號與磁場非互易的電子結構信號均是磁性超導的重要證據。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。研究團隊發現，超導能隙在Qα動量波矢里出現了小幅震蕩，這種震蕩與理論學家推論的雜質在磁性超導體內會產生微小震蕩相符合。因此，研究人員得到了完整的磁性籠目超導證據鏈，即自發磁性與超導震蕩都是在零磁場下出現，超導震蕩與磁場非互易的電子信號都出現在Qα。

通過第一性原理計算，殷嘉鑫團隊發現材料的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機制。對此，研究團隊猜測超導序參量可能是一個復雜數學函數Δ1+iΔ2，該能隙函數符合領域內學者提出的預測和推論。

研究團隊指出，目前磁性超導仍然是一種未知的量子物態，研究磁性超導態的理論與實驗的結合還存在許多探索空間，未來有望取得更重要的發現。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01995-w

時間反演對稱性破缺的籠目超導態示意圖南科大供圖