【儀表網 儀表研發】配對密度波(PDW)是一類奇異的超導態，其每個庫珀對攜帶的總動量非零。因而，庫珀對凝聚在動量空間中的若干非零點。與Fulde-Ferrell和Larkin-Ovchinnikov早期提出的、在外加磁場下形成的超導態――FFLO態有所區別，PDW超導態無需外加磁場而自發破缺了平移對稱性，除了零電阻、完全抗磁等超導體的通常特性外，還伴隨著電荷密度的空間調制。這種成套的派生電荷密度波調制即使在高于超導臨界溫度的一定溫區內也可能存在。當前研究認為PDW存在于包括銅氧化物超導在內的各種關聯電子材料、冷原子系統以及某些具有嵌套費米面的體系中。
 

　　最近發現的籠目(Kagome)晶格超導體AV3Sb5(A=K, Rb, Cs)材料引起了國際凝聚態物理學界的廣泛興趣。中國科學院院士、中科院物理研究所高鴻鈞研究組與合作者首先報道了CsV3Sb5中存在PDW的一些特征。對于這類材料中的超導，也存在一些看似相互矛盾的實驗結果。例如，一方面，AV3Sb5在NMR等實驗中呈現出自旋單態和傳統s波電子配對的特性；另一方面，又在熱輸運和STM實驗中觀察到極低溫下的殘余熱輸運系數和具有殘余零能量貢獻的“多能隙”V形的態密度。后者通常意味著體系中存在無能隙的、具有費米面特征的電子態，與通常的s波電子配對超導的特性不符。此外，一些理論和實驗工作表明該體系中存在時間反演對稱性破缺。
 

　　近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算實驗室研究員周毅、特聘研究員蔣坤與清華大學高等研究院教授姚宏合作，從CsV3Sb5具有六邊形且近乎嵌套的費米面這一事實出發，提出了一個配對密度波超導模型，其具有與費米面嵌套相關的庫珀對質心動量。這一理論框架預言了超導態時間和空間反演對稱性的自發破缺，對上述看似矛盾的實驗結果給出了較統一的解釋。該理論工作指出時間和空間反演對稱性的自發破缺源自不同質心動量配對模式之間的相位相干，使得PDW超導態具有穩定的Bogoliubov費米面。該工作進一步計算了這種對稱破缺態的各種性質，包括(局域)態密度和電子譜函數，得到的結果與現有的實驗具有較好的定量吻合。該理論還預言了實驗中可能觀察到的準粒子散射相干效應和在當前能量尺度下尚未觀測到的派生電荷密度波序。
 

　　這項工作不僅有助于理解AV3Sb5籠目晶格化合物中的奇異超導態，而且所提出的理論模型也具有一定的普遍性，對一系列后續研究有啟發作用。
 

　　相關研究成果發表于Phys. Rev. Lett.。相關研究工作得到科學技術部重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、王寬誠教育基金委員會、北京市自然科學基金委員會和中科院戰略性先導科技專項的資助。
 

　　圖2 (a) 體系凝聚能。凝聚能最大的態破壞時間反演和空間反演對稱性。(b)-(d): 最低能量態對應的Bogoliubov準粒子能譜色散關系和費米面。
 

　　圖3 態密度及局域態密度。(a)-(b): 不同溫度下的體系態密度及其與均勻s波超導態密度的對比。(c) 派生的電荷密度波序對應的三類不等價波矢。(d)三類電荷密度波序對應的局域態密度。
 

　　圖4 配對密度波超導態((a))和均勻s波超導態((b))中準粒子散射相干對局域態密度的調制及其對應的電子譜函數((c)和(d))。(a)和(c)中的波矢q1和q2表明局域態密度的改變主要來自于譜函數大的兩個準粒子之間的散射過程。