殷嘉鑫團隊Nat. Mater.：未知磁性超導態的新發現

一、【科學背景】

在量子態中，磁性與超導通常被認為是互斥的，然而磁性超導在晶格阻挫體系中的關聯并非沒有可能。籠目（kagome）晶格是由共用頂點連接組成的三角形晶格，這是一種具有幾何阻挫的晶體結構。研究表明，在籠目晶格中，材料的超導性與磁性存在密切關鍵關聯，現已成為量子領域研究的熱點。有關籠目結構的最早起源，我國南方科技大學科學家殷嘉鑫與考古學家發現籠目記載起源于秦漢時期的古中國。此后，他們進行了深入探索，進一步推動了拓撲籠目材料的研究，特別是對籠目超導體類材料CsV₃Sb₅時間反演對稱性破缺性質的研究。然而，它們的超導基態的性質仍然難以捉摸，該領域的研究仍然充滿挑戰。

二、【創新成果】

基于上述挑戰，近期南方科技大學物理系殷嘉鑫副教授課題組帶領多個國際成員組成的國際團隊在磁性超導調控方向取得新進展。研究人員利用掃描隧道顯微鏡和自旋共振技術證明了籠目金屬Cs(V, Ta)₃Sb₅的時間反演對稱性破缺性超導性，其中庫珀對表現出磁性并被其調制。在磁通道中，研究人員觀察到完全間隙超導狀態下的自發磁性，這證明了磁性超導的存在。在逆磁場的擾動下，研究人員繼續探測到了波哥留波夫準粒子在圓形矢量上的時間反演不對稱干涉。在此矢量處，對隙自發調制，這與發生在點矢量處的對密度波不同，并且與時間反演對稱性破缺下異常干涉效應的理論一致。內部磁性、波哥留波夫準粒子和配對調制之間的相關性為時間反演對稱性破缺提供了一系列實驗指示。

圖1 完全打開的超導能隙和自發磁性；? Springer Nature Limited 2024

首先，如圖1所示，研究人員發現籠目超導體CsV₃Sb₅在P6/mmm空間群中結晶，具有釩陽離子的籠目網絡，由Sb的八面體協調，并進一步被Cs層分開。當在V-籠目層中摻入14%的Ta原子時，電荷密度波階被完全抑制，超導臨界溫度提高到5 K。研究人員觀察到，Ta原子的摻雜，CsV₃Sb₅中的電荷序已經不復存在，而是呈現出一個完全打開的超導能隙，在繆子散射實驗觀測下，該超導材料還自發產生了一個微小的磁性信號，被稱為自發磁性。自發磁性信號是超導磁性共存的重要依據。

圖2 磁場非互易的超導電子結構信號；? Springer Nature Limited 2024

此外，磁場非互易的電子結構信號也是磁性超導的重要佐證。如圖2所示，這里，經過測量后，研究人員巧妙的設計了一個計算模式。研究人員發現超導電子結構強度與外加磁場的關聯度十分密切。所以，第一步可在正向磁場作用下測量電子結構，反之在反向磁場下再進行測量，最后進行前后測量數據的減法計算，就可得到磁場非互易的信號。值得注意的是，這種非互易信號與磁性超導狀態是相關的。

圖3 超導能隙的自發震蕩； ? Springer Nature Limited 2024

如圖3所示，研究人員繼續在零磁場下對超導能隙進行了譜學測量研究。結果發現，超導能隙在動量波矢里呈現出小幅震蕩。這種震蕩與Ta摻雜引起的磁性超導體產生微小震蕩的理論研究是吻合的。研究人員表明，自發磁性與超導震蕩都是在零磁場下出現，從而得到了完整的磁性籠目超導證據鏈。

該研究觀測到時間反演對稱性破缺的籠目超導態，并開發了系統研究磁性超導的高分辨率電子譜學方法，取得了重要突破。相關成果以“Evidence for time-reversal symmetry-breaking kagome superconductivity”為題發表在國際頂級期刊Nature Materials上。

三、【科學啟迪】

綜上所述，研究人員深入分析了籠目超導材料CsV₃Sb₅在Ta摻雜下的磁性超導性能。研究人員觀察到完全間隙超導狀態下材料的自發磁性，這證明了磁性超導的存在。該項研究已經取得了重要突破，但對其它待研究的磁性超導材料（例如UTe₂、Sr₂RuO₄等）的現象解釋仍然有待完善，此外，對CsV3Sb5在Ta摻雜下的所有現象的細節解釋還有待全面分析。盡管如此，在現已有的研究發現中，磁性超導仍然是一種未知的量子物態，有關磁性籠目超導現象存在的研究表明，磁性超導材料未來有著廣闊的研究空間，值得更多的科研工作者去探索。

文獻鏈接：Evidence for time-reversal symmetry-breaking kagome superconductivity，2024，https://doi.org/10.1038/s41563-024-01995-w）

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