【Science Bulletin编辑精选】超导材料及原理研究进展

中国科学杂志社

2024-12-10 14:46发布于北京

本期编辑

金魁, 中国科学院物理研究所研究员, 博士生导师, 超导国家重点实验室主任. 主要从事高温超导实验研究, 发展了新一代材料基因实验技术, 基于该技术首次揭示了高温超导转变温度与其奇异金属电阻散射率之间的抛物线型普适物理规律；走自主技术路线研发出国产”三光束脉冲激光共沉积镀膜”装置, 为电子学器件提供高品质铜氧超导单晶薄膜.

超导研究在沉寂一段时间后, 总能涌现出新的热点和亮点, 如近些年发现镍基、笼目等新超导体系, 又如原子层级制备技术发展驱动的转角超导、拓扑超导等, 也有对传统材料体系中遗留问题的突破性认识, 包括KT相变、奇异金属态等. 我们选取了Science Bulletin发表的相关论文, 实验方面涵盖了镍基超导磁性、笼目超导体磁通涡旋束缚态和相位涨落、碱金属掺杂碳60的磁性杂质束缚态和过渡族氮化物超导相图等, 理论进展包括构造类BCS基态波函数描述四电子配对超导体特性和预测高阶范霍夫奇点自旋轨道耦合体系中的鲁棒拓扑超导等. 这些进展说明该领域的研究者一方面通过类比研究去接近高温超导机理, 另一方面试图通过技术或理论创新挖掘出超导家族里的“宝藏”级新现象.

ARTICLE

Strong interlayer magnetic exchange coupling inLa₃Ni₂O_7-δ revealed by inelastic neutronscattering

Tao Xie, Mengwu Huo, Xiaosheng Ni,Feiran Shen, Xing Huang, Hualei Sun, Helen C. Walker, Devashibhai Adroja,Dehong Yu, Bing Shen, Lunhua He, Kun Cao, Meng Wang

Science Bulletin 2024, 69(20): 3221–3227; doi: 10.1016/j.scib.2024.07.030

通过非弹性中子散射技术, 研究人员在La₃Ni₂O_7−δ多晶样品中观测到弱且无色散的磁激发信号, 与条纹型反铁磁序一致. 实验发现层间反铁磁耦合强度为约64 meV, 面内耦合为约3.6 meV. 这些结果表明层间顶点氧通过超交换机制对镍氧化物的高温超导起重要作用, 层间氧空位会破坏超导电性. 该研究为理解镍氧化物高温超导的磁性关联和层间耦合作用提供了重要实验依据.

Quantum spin drivenYu-Shiba-Rusinov multiplets and fermion-parity-preserving phase transition in K₃C₆₀

Shu-Ze Wang, Xue-Qing Yu, Li-Xuan Wei, Li Wang, Qiang-JunCheng, Kun Peng, Fang-Jun Cheng, Yu Liu, Fang-Sen Li, Xu-Cun Ma, Qi-Kun Xue,Can-Li Song

Science Bulletin 2024, 69(10): 1392–1399; doi: 10.1016/j.scib.2024.03.052

本文研究了超导体中磁性杂质诱导的Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 束缚态, 揭示了其与量子自旋特性的相互作用. 研究团队利用高分辨极低温扫描隧道显微谱技术, 对K₃C₆₀超导薄膜表面上不同自旋的磁性原子(Fe、Cr、Ni)引起的YSR态进行了详尽分析. 实验首次发现量子自旋的磁晶各向异性导致的YSR多重态具有相同的空间分布, 属于量子自旋诱导YSR束缚态的典型特征. 通过研究这些YSR束缚态的磁场响应, 研究人员厘清了这些高自旋态的量子基态, 并首次在Ni原子上观察到由单轴磁各向异性符号改变引发的宇称守恒量子相变. 这项工作揭示了量子自旋磁各向异性与YSR多重态间的关系, 为理解YSR束缚态的量子特性提供了重要实验依据.

Tunable vortex bound states in multiband CsV₃Sb₅-derivedkagome superconductors

Zihao Huang, Xianghe Han, Zhen Zhao, Jinjin Liu, Pengfei Li,Hengxin Tan, Zhiwei Wang, Yugui Yao, Haitao Yang, Binghai Yan, Kun Jiang,Jiangping Hu, Ziqiang Wang, Hui Chen, Hong-Jun Gao

Science Bulletin 2024, 69(7): 885–892; doi: 10.1016/j.scib.2024.01.036

本文研究了笼目超导体CsV₃Sb₅中磁通涡旋束缚态的性质, 特别是化学掺杂对其的调控作用. 利用极低温强磁场扫描隧道显微镜, 作者在Ta和Ti掺杂的CsV₃Sb₅中观测到化学掺杂抑制电荷密度波, 使超导转变为全能隙特征. 磁通涡旋的点阵取向随磁场变化反映了多带超导特性. Ta掺杂的磁通涡旋展现Caroli-de Gennes-Matricon束缚态的交叉型空间演化, 而Ti掺杂的零能束缚态则表现为空间长距离不偏移特性, 这种行为仅与掺杂相关, 与表面或外磁场无关. 该研究揭示了笼目超导体中磁通涡旋束缚态的复杂演化规律, 为探讨笼目超导体及其他超导体非常规零能态的起源提供了新的实验依据.

Robust topological superconductivity in spin-orbit coupled systemsat higher-order van Hove filling

Xinloong Han, Jun Zhan, Fu-Chun Zhang, Jiangping Hu, XianxinWu

Science Bulletin 2024, 69(3): 319–324; doi: 10.1016/j.scib.2023.12.005

本文研究了范霍夫奇点与贝里相位的联合效应对电子关联和竞争不稳定性的影响. 通过分析带Rashba自旋轨道耦合的方格子体系模型, 作者使用部分子重整化群方法探讨了粒子-粒子和粒子-空穴通道的涨落行为. 尽管高阶范霍夫奇点体系的涨落强度相当, 但在大部分相互作用参数空间中, 系统呈现两个稳定的固定轨迹, 分别对应手征性的超导配对. 这种拓扑超导的鲁棒性源于贝里相位引起的跃迁相互作用. 研究不仅揭示了强自旋轨道耦合量子材料中电子关联的新特性, 还为拓扑超导性的实验实现和探索提供了重要启示.

Emergent superconducting fluctuations in compressed kagomesuperconductor CsV₃Sb₅

Xikai Wen, Fanghang Yu, Zhigang Gui, Yuqing Zhang, XingyuanHou, Lei Shan, Tao Wu, Ziji Xiang, Zhenyu Wang, Jianjun Ying, Xianhui Chen

Science Bulletin 2023, 68(3): 259–265; doi: 10.1016/j.scib.2023.01.020

本文通过压力下的软点接触光谱测量, 研究了笼目金属CsV₃Sb₅中压力可调的超导态及其与电荷密度波(CDW)的关联. 研究发现, 在两个超导穹顶之间的压力区间, 超导能隙显著增大, 但零电阻温度被抑制, 超导转变显著增宽. 超导能隙的温度依赖性偏离传统的BCS行为, 揭示了强烈的库珀对相位涨落.这表明CDW与超导在此压力范围内复杂交织, 与铜氧化物超导体La_2−xBa_xCuO₄表现出显著相似性. 研究强调了电荷自由度在交织电子序建立中的关键作用, 为理解新奇超导机制提供了重要约束和启示.

Short Communication

Charge 4e superconductor: Awavefunction approach

Pengfei Li, Kun Jiang, Jiangping Hu

Science Bulletin 2024, 69(15): 2328–2331; doi: 10.1016/j.scib.2024.06.002

本文研究了四电子配对超导体的微观性质, 构造了类似BCS形式的基态波函数, 找到与其对应的平均场哈密顿量并优化了波函数能量. 作者分析了激发态与格林函数, 发现s波超导体仍具有能隙, 但相干峰位置与传统两电子配对超导体不同. 通过引入规范场, 计算表明四电子配对超导体的超流密度较两电子配对减少了1/4. 此外, 还计算了直流和交流约瑟夫森效应, 后者的周期也是四电子配对超导体的直接证据. 这项工作系统描述了四电子配对超导体的独特性质, 为其实验验证提供了理论依据.

Emergence of superconductingdome in ZrN_x films viavariation of nitrogen concentration

Fucong Chen, Xinbo Bai, Yuxin Wang, Tao Dong, Jinan Shi,Yanmin Zhang, Xiaomin Sun, Zhongxu Wei, Mingyang Qin, Jie Yuan, Qihong Chen,Xinbo Wang, Xu Wang, Beiyi Zhu, Rongjin Huang, Kun Jiang, Wu Zhou, Nanlin Wang,Jiangping Hu, Yangmu Li, Kui Jin, Zhongxian Zhao

Science Bulletin 2023, 68(7): 674–678; doi: 10.1016/j.scib.2023.03.018

超导圆顶作为非常规超导材料的常见特征, 常用来区分常规与非常规超导材料. 本文通过脉冲激光沉积制备氮化锆薄膜, 并通过调控氮含量实现了超导圆顶在绝缘态附近的演化. 研究发现, 氮化锆薄膜的正常态表现出从强绝缘到金属态再到弱绝缘的转变, 电阻率随温度变化的特征从线性到二次依赖. 这种行为类似于非常规超导材料. 然而, 氮化锆的超导能隙和转变温度符合BCS理论预期, 其超导圆顶的形成与电声耦合强度及结构无序密切相关. 该研究为常规超导材料中超导圆顶现象的起源提供了新证据, 并揭示了”常规”超导与”非常规”超导特性之间的潜在联系.

NEWS & VIEWS

Spectroscopic evidence of isotropic electronic pairing in kagomesuperconductors

Zhenyu Wang, Junfeng He, Tao Wu, Xianhui Chen

Superconductivity in a strange metal

Jie Wu, Ivan Bozovic

Science Bulletin 2023, 68(9): 851–853; doi: 10.1016/j.scib.2023.03.038

COMMENTARY

Quantum dephasing of kagome superconductivity

Jia-Xin Yin

Science Bulletin 2023, 68(6): 568–570; doi: 10.1016/j.scib.2023.02.035

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