仪器新应用，南科大殷嘉鑫课题组带领国际团队在磁性超导取得突破！

【科学背景】

随着材料科学和超导体研究的不断推进，笼目晶格材料因其独特的电子结构而引起了广泛关注。笼目晶格是一种由角共享三角形构成的周期性结构，天然地承载了Dirac费米子、平带和Van Hove奇点等重要电子特性。这些特性不仅提供了拓扑物质研究的新视角，还为研究电子相关现象和长程多体有序提供了有力平台。近年来，笼目超导体AV3Sb5（A = K, Rb, Cs）中的非常规电荷序现象，特别是体积2 × 2排序向量下的电荷密度波和奇性超导性，引发了科学界的广泛关注。然而，这些超导体中电荷序与超导性的相互作用，特别是它们在基态下的具体表现和机制，仍然是实验和理论中未解的难题。

有限动量配对不仅能够导致空间间隙和配对密度的调制，还可能出现Bogoliubov费米态等复杂现象。然而，实验上实现这些复杂现象的相互关联一直面临挑战。针对这一问题，南方科技大学物理系殷嘉鑫副教授课题组带领一支由中国（国科学院物理研究所石友国课题组和北京理工大学王秩伟课题组）、瑞士、德国和新加坡学者组成的国际团队利用高分辨率和系统的隧道数据，采用稀释制冷机下的常规和Josephson扫描隧道显微镜，对KV3Sb5和CsV3Sb5中的奇性笼目超导调制进行了深入研究。他们在30毫开尔文的极低温条件下，分辨出微电子伏特级别的电子能量差异，并观察到U形超导间隙和具有平坦残余间隙态的特征。

本研究解决了奇性PDW（配对密度波）在笼目超导体中的具体表现及其与电荷序的关系。通过检测到的2 × 2空间调制和磁场可调的奇性，研究揭示了具有时间反演对称性破缺的奇性PDW有序性，并在准粒子干涉成像中发现了作为Bogoliubov费米态候选的残余费米弧。此外，通过与杂质诱导的间隙调制进行区分，研究表明这些奇性PDW具有轨道选择性，并建立了有限动量配对的空间-动量对应关系。这些发现不仅加深了对笼目超导体中奇性PDW有序性的理解，还为低于1 K的超导体中相互交织的有序性研究提供了新的方法和理论依据。

【科学亮点】

（1）实验首次探测到笼目超导体KV3Sb5和CsV3Sb5中的奇性2 × 2配对密度波（PDW）有序性及其残余费米弧，并通过常规和Josephson扫描隧道显微镜在30毫开尔文下获取了微电子伏特级别的电子能量分辨数据。作者观察到U形超导间隙中存在平坦的残余间隙态，并揭示了具有磁场可调奇性的2 × 2空间调制。

（2）实验通过系统的隧道显微镜技术揭示了以下结果：

• 在笼目晶格的体积电荷序矢量处，检测到配对间隙和配对密度的2 × 2调制，表现出磁场可切换的奇性，突显出具有破坏时间反演对称性的奇性PDW有序性（图5a、5b）。

• 通过准粒子干涉成像（QPI）数据，检测到V d轨道态的残余费米弧，这些弧线被认为是Bogoliubov费米态的候选（图5c）。

• 奇性PDW被确定为p-d间轨道通道的有限动量配对，有助于理解其空间-动量对应关系。

• 此外，作者的研究还区分了奇性PDW有序性与杂质诱导的间隙调制，CsV3Sb5展示了与（表面）条纹相关的额外配对调制通道。作者的系统光谱方法在极端条件下的应用，为进一步探究TC低于1 K的超导体中相互交织的有序性提供了新路径。

【科学图文】

图1：电荷有序的笼目超导性。

图2：配对间隙和配对密度调制。

图3：奇性2 × 2配对间隙和配对密度调制。

图 4: 在轨道选择性PDW下的残余费米弧。

图 5: 有限动量配对超导性的证据链。

【科学启迪】

本文揭示了笼目超导体中奇性配对密度波（PDW）的复杂行为及其与费米弧的关系。通过高分辨率和系统的隧道数据，作者能够探测到KV3Sb5和CsV3Sb5中的奇性2 × 2 PDW有序性及其残余费米弧，这些结果展示了超导性与电荷序的深刻联系。具体而言，文章建立了有限动量配对的空间-动量对应关系，区分了PDW有序性与杂质诱导的配对调制。

研究表明，奇性PDW不仅破坏了时间反演对称性，还在p-d间轨道通道中展现了独特的配对特性。此外，通过对零能态的准粒子干涉成像，发现了分段费米弧，这为Bogoliubov费米态的候选提供了证据。这些发现不仅深化了作者对笼目超导体中奇性PDW的理解，还推动了在极端条件下揭示超导体中相互交织有序性的研究，为未来探索其他低温超导材料中的类似现象提供了新的思路和方法。

参考文献：Deng, H., Qin, H., Liu, G. et al. Chiral 笼目 superconductivity modulations with residual Fermi arcs. Nature 632, 775–781 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07798-y