南方科技大学物理系殷嘉鑫副教授课题组，携手来自中国、美国、丹麦、法国和新加坡的国际研究团队，近日在磁性超导调控领域取得了重要进展。他们成功观测到时间反演对称性破缺的笼目超导态，并开发了高分辨率电子谱学方法，系统研究了磁性超导的性质。这一研究成果以“Evidence for time-reversal symmetry-breaking kagome superconductivity”为题，发表在国际顶级期刊Nature Materials上。
图1 时间反演对称性破缺的笼目超导态示意图
磁性与超导通常被认为是两种互斥的量子态，然而早在1958年，物理学家Matthias和Anderson便提出了在晶格阻挫体系中二者关联的可能性。笼目（kagome）晶格，由顶点连接的三角形组成，因其几何阻挫特性成为研究焦点。自2018年以来，殷嘉鑫副教授与合作者已在笼目磁体和超导体的量子调控研究上取得了一系列重要成果。
2022年，他们在Nature综述文章中提出，笼目超导体是研究磁性超导的理想载体，并将其称为“磁性融合的超导态”（Magnetically intertwined superconductivity）。
研究团队利用极低温、高能量分辨率的扫描隧道显微镜，对笼目超导体Cs(V,Ta)₃Sb₅进行了深入研究。实验结果显示，由于Ta的掺杂，母体CsV₃Sb₅中的电荷序被完全抑制，形成了一个完全打开的超导能隙。通过缪子散射实验，研究人员进一步验证了这一发现，并观察到超导态下自发的微小磁性信号，暗示了磁性超导态的存在。
图2.完全打开的超导能隙与超导态内产生的自发磁性
为进一步研究磁性超导的电子结构起源，研究团队开发了一种新型的高分辨率电子谱学测量方法。他们发现，动量空间中超导电子结构的强度对外加磁场极为敏感。这一现象在特殊动量波矢Qα上表现尤为明显。当外加磁场超过超导临界磁场，或温度高于超导转变时，这种信号消失，进一步验证了其与磁性超导的紧密联系。
图3 磁场非互易的超导电子结构信号
研究人员在零磁场下对超导能隙进行了系统测量，发现超导能隙在Qα动量波矢上出现了小幅震荡。这种震荡与Ta掺杂引起的磁性超导体内的微小震荡相符，构建了完整的磁性笼目超导证据链。
图4 超导能隙的自发震荡
通过第一性原理计算，团队发现材料的α能带中混合了Sb的p轨道与V的d轨道，这一p-d轨道杂化可能与磁性超导机制相关。基于现有理论，研究团队推测超导序参量可能是一个复杂的数学函数Δ₁+iΔ₂，这与2009年MIT学者的理论预言相符。
然而，研究团队也指出，当前的磁性超导理论框架尚未完全解释所有观测现象，尤其是在关键材料Sr₂RuO₄与UTe₂中。因此，未来将需要更多的理论与实验研究来进一步揭示磁性超导态的奥秘。
研究团队与支持
南方科技大学物理系博士后邓翰宾为该论文的第一作者，南科大为论文第一单位。殷嘉鑫副教授与北京理工大学王秩伟教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了中国科技部、自然科学基金委、深圳科创委和广东省量子科学战略专项的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01995-w
