近期，中國科學(xué)院物理研究所副研究員陳輝和研究員高鴻鈞對(duì)目前受到廣泛關(guān)注的超導(dǎo)中的配對(duì)密度波研究進(jìn)行了評(píng)述。相關(guān)文章以Widespread pair density waves spark superconductor search（《廣泛關(guān)注的配對(duì)密度波引發(fā)超導(dǎo)研究熱潮》）為題，發(fā)表在《自然》“新聞-觀點(diǎn)”（News & Views）欄目【Nature 618, 910-912 (2023)】上。

　　超導(dǎo)是電子在微觀世界里兩兩配對(duì)組成庫珀對(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，庫珀對(duì)的兩個(gè)電子有著相反的動(dòng)量。因此，庫珀對(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，嚴(yán)格來說，在磁場的Zeeman能作用下，電子可以組成動(dòng)量不為零的庫珀對(duì)。這種庫珀對(duì)凝聚形成的超導(dǎo)態(tài)就會(huì)呈現(xiàn)出波動(dòng)的特性，稱為 “FFLO”態(tài)。在沒有磁場的情況下，動(dòng)量不為零的庫珀對(duì)形成的超導(dǎo)態(tài)被稱為配對(duì)密度波（Pair Density Wave）。配對(duì)密度波的形成很可能反映體系內(nèi)部的電子關(guān)聯(lián)特性。理論上，配對(duì)密度波預(yù)言可以在電子關(guān)聯(lián)很強(qiáng)的非常規(guī)超導(dǎo)體中出現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)上，經(jīng)過二十多年的努力，在強(qiáng)關(guān)聯(lián)的銅基高溫超導(dǎo)體中已尋找到配對(duì)密度波存在的證據(jù)。配對(duì)密度波是否可以在電子關(guān)聯(lián)相對(duì)較弱的非常規(guī)超導(dǎo)體中出現(xiàn)？配對(duì)密度波是否是超導(dǎo)體系中由電子關(guān)聯(lián)引發(fā)的普適現(xiàn)象？這對(duì)探究非常規(guī)的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)理及電子關(guān)聯(lián)物理極其重要。因此，在超導(dǎo)體中尋找配對(duì)密度波在凝聚態(tài)物理研究中備受關(guān)注。實(shí)驗(yàn)上能否在銅基超導(dǎo)體以外的超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)配對(duì)密度波是該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)超導(dǎo)研究頗為重要。

　　近幾年，物理所高鴻鈞院士團(tuán)隊(duì)開展了超導(dǎo)前沿探索研究。在他的帶領(lǐng)下，陳輝和研究員楊海濤等首次在新型層狀籠目超導(dǎo)體CsV₃Sb₅中觀測到旋子配對(duì)密度波。該工作得到國際超導(dǎo)研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和高度重視，并掀起了配對(duì)密度波研究的浪潮。同年，Séamus Davis團(tuán)隊(duì)在過渡金屬硫族化合物NbSe₂中觀測到配對(duì)密度波。

　　該領(lǐng)域的前沿探索者分別在三個(gè)不同的非常規(guī)超導(dǎo)材料體系中均觀測到了配對(duì)密度波。

　　（1）在磁性與超導(dǎo)共存的鐵基超導(dǎo)體EuRbFe₄As₄中，Kazuhiro Fujita等發(fā)現(xiàn)周期大致為8個(gè)晶格長度的非公度配對(duì)密度波 （圖1a）。該配對(duì)密度波同時(shí)破壞旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和平移對(duì)稱性，是一種具有層列相 （smectic） 的配對(duì)密度波。超導(dǎo)空間調(diào)制現(xiàn)象在磁性轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)附近消失，預(yù)示著該材料中的磁性層與超導(dǎo)層存在一定的相互作用，為配對(duì)密度波的原子層間調(diào)制開辟了新方向【Nature 618, 940 (2023)】。

　　（2）在SrTiO₃襯底上生長的單層Fe(Se,Te)薄膜中，王健和汪自強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)了局域在晶格疇界處、周期為3.6倍的Fe-Fe間距的配對(duì)密度波（圖1(b)）。該工作為探索非常規(guī)超導(dǎo)體中庫珀對(duì)與其他關(guān)聯(lián)電子態(tài)相互作用提供了理想的低維材料研究平臺(tái)【Nature 618, 934 (2023)】。

　　（3）在自旋三態(tài)超導(dǎo)體材料UTe₂中，Vidya Madhaven等觀測到奇特的隨外部磁場演變、沿三個(gè)方向傳播的非公度電荷密度波，并認(rèn)為這個(gè)反常的電荷密度波來源于配對(duì)密度波。該工作對(duì)探討自旋三態(tài)超導(dǎo)體UTe₂的序參量奠定了重要的基礎(chǔ) （Nature 618, 928 (2023)）。Séamus Davis等使用超導(dǎo)材料針尖構(gòu)造約瑟夫森隧道異質(zhì)結(jié)進(jìn)行STM測量，證實(shí)了UTe₂中存在配對(duì)密度波。研究認(rèn)為UTe₂中的配對(duì)密度波具有與電荷密度波相同的沿三個(gè)方向非公度周期，是一種自旋三態(tài)配對(duì)密度波（圖1c）。由于自旋三態(tài)配對(duì)密度波只在超流體3He被實(shí)驗(yàn)觀測到，研究認(rèn)為該工作很可能是首次在固態(tài)超導(dǎo)材料中觀測到自旋三態(tài)配對(duì)密度波【Nature 618, 921 (2023)】。

　　目前的研究進(jìn)展表明配對(duì)密度波幾乎在不同的非常規(guī)超導(dǎo)體系中普遍存在。這些進(jìn)展對(duì)后續(xù)深入研究并理解非常規(guī)超導(dǎo)體中的超導(dǎo)特性、電子關(guān)聯(lián)以及多種交纏序之間的關(guān)系奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　在國際上超導(dǎo)領(lǐng)域這一波研究配對(duì)密度波的浪潮中，物理所及合作者的突破性工作引領(lǐng)了該方向的發(fā)展。

　　論文鏈接 

在鐵基超導(dǎo)體EuRbFe₄As₄（a）、二維鐵基超導(dǎo)體Fe(Se, Te)薄膜（b）和自旋三態(tài)超導(dǎo)體UTe₂（c）中觀測到配對(duì)密度波的示意圖。