超導(dǎo)是電子在微觀世界里兩兩配對(duì)組成庫(kù)珀對(duì)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(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子有著相反的動(dòng)量。因此，庫(kù)珀對(duì)本身總動(dòng)量為零，在超導(dǎo)體內(nèi)均勻分布，不會(huì)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(chǎng)的情況下，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，在磁場(chǎng)的Zeeman能作用下，電子可以組成動(dòng)量不為零的庫(kù)珀對(duì)。這種庫(kù)珀對(duì)凝聚形成的超導(dǎo)態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出波動(dòng)的特性，稱為“FFLO”態(tài)。
　　在沒有磁場(chǎng)的情況下，動(dòng)量不為零的庫(kù)珀對(duì)能形成嗎？這種情況下形成的超導(dǎo)態(tài)稱為配對(duì)密度波（Pair Density Wave）。近年來(lái)，這一問題受到物理學(xué)家的關(guān)注。理論上，配對(duì)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(guò)多年努力，只有在銅基高溫超導(dǎo)體中尋找到支持配對(duì)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(wú)法完全確立配對(duì)密度波的獨(dú)立存在。
　　近年來(lái)，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(lái)。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(duì)密度波出現(xiàn)的理想載體。
　　近日，中國(guó)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(guó)際頂尖水平的極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡/譜（STM/S）聯(lián)合系統(tǒng)，對(duì)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(guó)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(guó)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(duì)密度波，這種配對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)（2T）觀測(cè)到；觀察到非超導(dǎo)態(tài)下的非相干的配對(duì)密度波以及相干情況下超導(dǎo)和配對(duì)密度波之間的耦合。這些配對(duì)密度波的性質(zhì)不同于銅基高溫超導(dǎo)體中的配對(duì)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(duì)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(duì)密度波，對(duì)研究配對(duì)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(guó)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(cè)到的約瑟夫森效應(yīng)
　　圖3.CsV3Sb5在±5 meV能量?jī)?nèi)伴隨對(duì)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(chǎng)以及4.2 K零磁場(chǎng)下觀測(cè)到的配對(duì)密度波以及贗能隙