高温超导新突破：科学家证实对密度波存在于高温铁基超导材料之中

自 1911 年荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Onnes）发现固态汞的超导性之后，超导现象一直都是科学家们的热门研究领域。近年来，关于超导的研究热度更是有增无减，如何实现室温常压超导已经成为物理和材料领域的重要课题。

2023 年 3 月，美国罗彻斯特大学伦加·迪亚斯（Ranga Dias）团队宣布成功合成室温超导新材料——氮掺杂氢化镥（N doped lutetium hydride，Lu-N-H）。然而，就在这一成果发布之后，全球多个实验室宣布无法重复关键的实验数据。尽管后来有学者发文宣称可以复现实验结果，其中包括美国院士拉塞尔·海姆利（Russell Hemley），但是关于这一突破性的进展仍然存在许多争论。

可见，室温超导材料始终是一个研究和应用热点。那么，何为超导？超导是在某些材料中观察到的一组物理特性，在这些材料中，电阻消失，磁场被挤出。与普通金属导体不同的是，普通金属导体的电阻随着温度的降低而逐渐减小，甚至降低到接近绝对零度，而超导体则有一个特有的临界温度（critical temperature，Tc），低于这个温度，电阻就会突然下降到零。

超导体主要用于在核磁共振扫描仪所需的能提供强磁场的电磁铁，也可被用于发电机、粒子加速器、运输、电动机、计算、医疗、电力传输等诸多领域。

6 月 28 日，Nature 刊登了中外学者关于超导研究的最新进展，一共涉及到三篇论文。

其中一篇论文题为《在具有高临界温度的单层铁基超导体中发现了配对密度波》（Pair density wave state in a monolayer high-Tc iron-based superconductor）[1]。北京大学博士后刘彦昭与博士生魏天恒为共同第一作者，北京大学王健健教授与美国波士顿学院汪自强教授担任共同通讯作者。

（来源：Nature）

配对密度波（pair density wave，PDW）是一种特殊的超导状态，BCS 理论指出：超导起源于自旋和动量相反的两个电子结合形成的零质心动量库珀对（Cooper pairs）相干凝聚。其中库珀对（Cooper pairs）携带非零动量。之前已经发现了高温（高Tc）铜酸盐超导体和笼目超导体中存在内在配对密度波的证据。然而，铁基高 Tc 超导体中的配对密度波还没有被实验观察到。

在北大团队参与的这项工作中，研究团队利用扫描隧道显微镜和光谱学，在具有（001）晶面取向的钛酸锶基底上生长的高 Tc 单层铁基 Fe（Te,Se）薄膜中发现了配对密度波。通过局部状态密度的空间电子调制、超导间隙和交织电荷密度波序旋涡周围的 PDW 的π相移边界，在域壁观察到周期为λ≈3.6aFe（aFe 是相邻铁原子之间的距离）的 PDW 状态。

图 | PDW 相位中的π相移边界（来源：Nature）

这一研究发现的意义在于，二维铁基超导材料中嵌入的自然出现的域壁等量子结构，为研究 PDW 状态及其与拓扑电子态和非常规高 Tc 超导性的相互作用提供了一个新的材料平台。

配对密度波是电子密度的周期性调制。但是，研究人员一直无法确认配对密度波只在特定的材料中存在，还是在超导材料中普遍存在。而现在这三篇论文显明，配对密度波实际上比以前认为的更普遍，有证据表明这些波在三种不同的材料中存在。

在 Nature 同期发表的论文中，来自美国布鲁克海文国家实验室的研究人员在含铁的 EuRbFe4As4 材料中也发现了配对密度波的存在 [2]。这一材料在冷却到大约 37 开尔文时就会变成超导体，并且还表现出磁性。相关论文题为《EuRbFe4As4 中的小晶对密度波顺序》（Smectic pair-density-wave order in EuRbFe4As4），He Zhao 是第一作者，布鲁克海文国家实验室的阿布海 N. 帕苏帕西（Abhay N. Pasupathy）和藤田一郎（Kazuhiro Fujita）两位教授担任共同通讯作者 [2]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

该研究表示，无论交换分裂理论是否足以解释 PDW 的存在，或者是否需要一个更强的耦合起点，EuRbFe4As4 中相邻的磁性和超导平面之间存在着强烈的相互作用。这也为我们展示了一种从头开始设计配对密度波的方法，即通过耦合超薄的磁性材料和超导体。各种各样的范德华材料可以被用来加工人工超导体-磁铁异质结，为 PDW 状态的工程化指明了一个有希望的方向。

图 | PDW 间隙调制的温度依赖性（来源：Nature）

除了铁基超导材料，配对密度波还在其它材料体系中被发现，即二碲化铀（UTe2）。相关研究来自于美国伊利诺伊大学香槟分校的薇迪雅·马德哈万（Vidya Madhavan）课题组，对应论文也发表在同期 Nature 上，相关论文题为《超导体 UTe2 中的磁场敏感电荷密度波》（Magnetic-field-sensitive charge density waves in the superconductor UTe2）,阿努瓦·艾什瓦里亚（Anuva Aishwarya）是第一作者，薇迪雅·马德哈万担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

此前，该小组曾报道过相同材料的手性超导性。在此基础之上，他们揭示了一种反常的电荷密度波秩序，它可以在三个方向上传播、与超导性密切相关，并且对磁场最为敏感 [3]。

图 | 不同超导体中的配对密度波（来源：Nature）

同期发表于 Nature 的观点文章评论道：配对密度波的实验研究仍处于早期阶段。在各种超导体中已经观察到了这种波的特征，但从这些波中出现的有序状态，以及它们与超导体中其他状态的相互作用方式，在很大程度上仍然没有得到探索。研究人员们正在为此不懈努力，尝试揭示这些迷人的波背后的物理图像及意义。

参考资料：

1.Liu, Y., Wei, T., He, G. et al. Pair density wave state in a monolayer high-Tc iron-based superconductor. Nature 618, 934–939 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06072-x.

2.Zhao, H., Blackwell, R., Thinel, M. et al. Smectic pair-density-wave order in EuRbFe4As4. Nature 618, 940–945 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06103-7.

3.Aishwarya, A., May-Mann, J., Raghavan, A. et al. Magnetic-field-sensitive charge density waves in the superconductor UTe2. Nature 618, 928–933 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06005-8.

4.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01996-w.