创造能量分辨率新纪录，科学家为磁性超导体存在提供直接实验证据

近年来，超导因无损耗传输电能的特性而备受关注，其在磁悬浮列车、医学成像（例如核磁共振成像）、量子计算等领域具有广阔的应用前景。

领域内普遍认为，超导态与磁性不可兼得。

直到 20 世纪 50 年代，诺贝尔物理学奖获得者菲利普·沃伦·安德森（Philip Warren Anderson）所提出的理论指出，在笼目（kagome）晶格等特定晶格结构中可能存在一种磁性超导态。

尽管早期缺乏直接证据，但这一发现不仅打破了传统观念，还开启了领域对磁性超导材料的研究。

近期，南方科技大学殷嘉鑫副教授课题组与合作者利用扫描隧道显微镜的技术，观测到了手性笼目超导振荡，成功将电子谱学的空间能量分辨率提升至 1 微电子伏特（1μeV），刷新了世界纪录。

研究人员在微电子伏特级别上解析了 kagome 结构材料 KV3Sb5 和 CsV3Sb5 中的电子能级差异，并在 30 毫开尔文的极低温度下，观察到了具有手性 2a×2a 空间调制的超导能隙和与之对应的配对密度调制。

磁性超导体有望为超导材料的应用提供新的可能，尤其是在提高超导临界温度方面。该研究初步证实了磁性超导体的存在，并为其提供了高分辨率谱学的直接实验证据。

“尽管我们的研究并不意味着已经完全解决了磁性超导的问题，但它研究开启了一个全新的方向。”殷嘉鑫表示。

图丨殷嘉鑫课题组（来源：殷嘉鑫）

探测磁性超导体内部微弱磁性的实验极具挑战性，需要在极端条件下进行高分辨率测量，且必须同时满足三个关键条件。

首先，需要极低的电子温度，比外太空的温度还要低 2 个数量级，这意味着研究人员必须创造比宇宙深处更冷的环境。

其次，为了达到原子甚至亚原子级别的精度，需要极高的空间分辨率，这通常使用仅有一个原子的针尖来探测。

再次，由于信号非常微弱，任何噪声都可能干扰信号采集，因此需要超高的信噪比，这要求建立一个出色的屏蔽系统，以确保整个系统的稳定性。

殷嘉鑫表示：“同时满足上述三个条件的是一项极限挑战，就好像是在摩天大楼的顶层走钢丝，不仅要倒着走，还要在阴雨天气中进行。每项挑战都很难单独实现，同时做到这三点更是难上加难。”

据介绍，该成果的实现得益于其所使用的扫描隧道显微镜系统，它由中国科学院物理研究所研究员潘庶亨的潘氏扫描隧道显微镜技术发展而来。

“我们的研究成果证明，在国内同样可以完成达到国际先进水平的工作，这也极大地增强了国内科研人员的信心。”他说。

图丨笼目超导体内手性超导振荡示意图（来源：南方科技大学）

那么，该团队是如何确定超导材料是否为磁性超导的呢？

据了解，他们主要通过探测超导电子的运动特性。具体来说，使用先进的电子能谱技术来探测材料中超导电子的行为。当这些电子形成超导态时，它们的运动模式会发生变化。

“我们发现这些超导电子的运动表现出特定的手性，进一步地，还观察到这种手性可被外部磁场调控，即超导电子的特性能够随着外加磁场的变化而变化。

这表明超导电子具有磁性属性，因此我们认为这是磁性超导存在的证据之一。”殷嘉鑫说。

图丨周期为 2a 的超导能隙振荡和约瑟夫森零能峰振荡（来源：Nature）

在实验中，研究人员通过高分辨率的电子谱学方法观测到了动量空间中超导电子结构的强度，这种强度对外加磁场非常敏感。

通过在正向和反向磁场下分别测量电子结构，并对两种信号进行减法处理，该团队得到了磁场非互易的信号，这一信号出现在特定的动量波矢上。

当外加磁场超过超导临界磁场、能量超过超导能隙或温度高于超导转变温度时，这种信号会消失。

这些发现为研究人员提供了磁性超导存在的有力证据，即超导电子的运动不仅表现出手性，而且这种手性还可以被外部磁场调控，从而证明了超导态和磁性能够共存。

审稿人对研究评价称，“（作者们）观察到的实验数据是一致和令人信服的，由环路电流顺序驱动的手性配对密度波导状态的结论出现非常及时。本研究为理解笼目金属中时间反转对称性打破电子态，提供了重要信息。”

图丨 2×2 手性配对密度波关键证据（来源：Nature）

殷嘉鑫在中国科学院物理所获得博士学位，之后在美国普林斯顿大学分别担任博士后和研究员。2022 年，他加入南方科技大学物理系，并建立量子奇点与演生物质实验室，研究方向为磁性与超导以及先进能谱显微学。

有意思的是，在研究初期殷嘉鑫在一次去民俗村参观时，意外发现传统的笼目竹编结构，这激发了他对 kagome 晶格起源的好奇心。

在实验室设备搭建完成前，他进行了一项系统的科学考古研究。令人意外的是，距今约 2200 年的竹编工艺品，经过碳 14（14C）测定，被确认为目前世界上已知最早的 kagome 结构。

“这一发现不仅揭示了 kagome 结构与中华文明历史的紧密联系，也展现了科学探索与文化传承之间的纽带。”他说。

日前，相关论文以《具有残余费米弧的手性与 kagome 超导性调制》（Chiral kagome superconductivity modulations with residual Fermi arcs）为题发表在 Nature 上 [1]。

南方科技大学博士后邓翰宾是第一作者，南方科技大学殷嘉鑫副教授、中国科学院物理研究所石友国研究员、北京理工大学王秩伟教授和中国科学院理论物理研究所吴贤新副研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）

接下来，该课题组计划利用先进的谱学技术手段，探索除了超导与量子霍尔效应之外的第三类宏观量子态。

研究人员认为，通过实验探索 kagome 材料有可能发现未知的量子态，甚至可能是第三类宏观量子态，这一探索有望为超导研究领域开启新的篇章。

参考资料：

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

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