科学家发现未知磁性超导态

近日，南方科技大学物理系副教授殷嘉鑫课题组组织一支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，相关成果发表于《自然—材料》上。

该研究中，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。通过缪子散射进一步发现，在超导态下，观测的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。

为了进一步研究磁性超导的电子结构起源，研究团队开发了一种新型的高分辨率电子谱学测量方法，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。对此，他们先在正向磁场作用下测量电子结构，然后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，当外加磁场大于超导临界磁场，能量大于超导能隙，或温度高于超导转变时，这种信号都会消失。此外，研究人员还通过多种手段排除了磁通涨落的影响。

自发磁性信号与磁场非互易的电子结构信号均是磁性超导的重要证据。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。研究团队发现，超导能隙在Qα动量波矢里出现了小幅震荡，这种震荡与理论学家推论的杂质在磁性超导体内会产生微小震荡相符合。因此，研究人员得到了完整的磁性笼目超导证据链，即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。

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。对此，研究团队猜测超导序参量可能是一个复杂数学函数Δ1+iΔ2，该能隙函数符合领域内学者提出的预测和推论。

研究团队指出，目前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结合还存在许多探索空间，未来有望取得更重要的发现。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01995-w

时间反演对称性破缺的笼目超导态示意图南科大供图