二维高温铁基超导体中电子对密度波态的发现

超导作为物质的宏观量子态，在过去的一个世纪里引起了科学研究和工业领域的极大关注。根据BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)微观理论，超导源于相干库珀对的凝聚，每个库珀对由两个自旋和动量相反的电子形成。

理论上，当时间反演对称性被打破时，库珀对可以获得有限动量并表现出空间调制的超导序参数，这被称为富尔德-费雷尔-拉金-奥夫钦尼科夫(FFLO)态。尽管FFLO状态在1964年就在理论上被提出，但由于对材料的严格要求，观察FFLO状态已被证明具有挑战性。迄今为止，尚未通过实验检测到FFLO态的直接证据，例如实空间中超导有序参数的调制。

(资料图)

为了理解铜酸盐中观察到的二维(2D)超导特性，一些理论工作预测有限动量库珀对可以存在于强耦合系统中而不打破时间反转对称性，并显示库珀对密度的空间调制。这种非凡的超导状态被称为对密度波(PDW)，由于PDW与非常规超导之间的潜在联系，引发了大量的理论研究。

在各种理论假设中，最有趣的一个是PDW是铜酸盐相图中与d波超导一起的另一种主要状态，这为铜酸盐表现出高温超导性的复杂交织有序提供了新的见解。此外，根据一些理论建议，铜酸盐的神秘赝能隙相可以归因于PDW状态，进一步表明PDW的潜在重要性。

然而，高温(高Tc)超导体中PDW态的实验证据仅在某些铜酸盐中观察到。另一个高温超导体家族——铁基超导体中PDW态的存在从未被实验检测到。此外，早期的铜酸盐理论研究提出PDW是二维系统中的低维条带顺序，但迄今为止尚未报道PDW在二维系统中的令人信服的实验证据。

近日，北京大学王健教授课题组与波士顿学院王自强教授、上海大学张毅教授合作，在二维铁基高温超导体中发现了初级电子对密度波态，提供了一个新的二维高温平台，用于研究非常规超导体中的PDW。他们的论文发表在《自然》杂志上。

王健课题组利用分子束外延(MBE)技术，在SrTiO3(001)衬底(1-UCFe(Te))上成功生长出大面积、高质量单胞厚Fe(Te,Se)薄膜。,Se)/STO)，其超导能隙高达18meV，远高于块状Fe(Te,Se)的超导能隙(~1.8meV)，Fe(Te,Se)是一种有前途的拓扑超导体候选材料。

此前，王健课题组及合作者在1-UCFe(Te,Se)/STO中一维原子线缺陷两端发现了零能激发，这与马约拉纳零模解释一致(Nat.Phys.16,536-540(2020))。在当前的工作中，研究了1-UCFe(Te,Se)/STO中的另一种原子结构，即原子晶格沿着Fe-Fe方向穿过畴壁被压缩的固有畴壁(图1a-d)。通过原位低温(4.3K)扫描隧道显微镜/光谱(STM/STS)。在磁畴壁区域内，检测到局部统计密度(LDOS)的清晰空间调制(图1e-f)。

通过执行2D锁定分析(图1g-h)，确定了3.6aFe的调制周期(aFe是相邻Fe原子之间的距离)。进一步的偏置电压相关测量表明，LDOS调制的周期与能量无关，证明了电子顺序的起源。此外，电子有序引起的LDOS调制主要存在于超导能隙内的能量中，表明电荷有序性可能与1-UCFe(Te,Se)/STO的超导性有关。

通过进一步进行STS测量，在磁畴壁处检测到超导相干峰值高度(图2a-c)和间隙能量(图2d-f)的空间调制。先前的研究已经报道了这两个物理量与超导序参数之间的强相关性。因此，在真实空间中直接观察到超导有序参数的空间调制，这为二维铁基高温超导体中PDW有序的存在提供了令人信服的证据。

除了PDW态之外，在磁畴壁处还检测到周期约为1.8aFe(PDW周期的一半)的电荷密度波(CDW)态。图3e和3f显示了磁畴壁处PDW(周期~3.6aFe)和CDW状态(周期~1.8aFe)的相图，其中CDW相中存在2π相缠绕的涡旋(图3e中的黑点))和PDW相位中的π相移(图3f中的箭头)可以被识别。很明显，在CDW涡流附近观察到PDW相中的π相移，这与初级PDW和PDW引起的次级CDW的理论情况一致(图3a-d)。因此，在1-UCFe(Te,Se)/STO磁畴壁处观察到的PDW态是初级态。

为了解释畴壁初级PDW态的机制，王自强教授和张毅教授提出了一种新颖的三重态等自旋配对模型。在畴壁处，破坏的反转和镜像对称引入了Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合(SOC)。由于SOC大，自旋相等的电子可以在SOC分裂带的费米点上配对，从而形成具有有限动量库珀对的初级PDW态。基于等自旋配对模型的理论计算显示了LDOS和超导能隙的空间调制，这与我们的实验结果一致，揭示了拓扑自旋三重态超导有序参数的可能存在。

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