2019年9月18日
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南京大学温锦生与万贤纲团队在拓扑超导体系中发现了奇异声子导致非常规超导的证据

近日,南京大学物理学院温锦生教授课题组和万贤纲教授合作,利用中子散射手段在拓扑超导体候选材料Sr0.1Bi2Se3中发现了奇异的声子导致非常规超导电性的证据,首次从实验上证明了电声子耦合能够诱导出满足拓扑超导的配对对称性,加深了对于非常规超导配对的认识。该研究成果以“Evidence for singular-phonon-induced nematic superconductivity in a topological superconductor candidate Sr0.1Bi2Se3”为题,发表在《自然通讯》上[Nature Communications 10, 2802 (2019)]。

超导材料在临界温度以下表现出如零电阻和完全抗磁性等独特性质,具有十分丰富的物理内涵。同时,超导材料可广泛用于各个领域,是二十一世纪的战略高技术。因此,对超导电性的研究具有重要的学术价值和经济社会效益。

对超导体的研究中最为重要的内容之一就是确定导致电子配对的作用机制。对常规超导体而言,BCS 理论指出晶格振动基元——声子,是耦合电子对的媒介。由于电声子耦合作用基本与动量无关,因此由电声子耦合配对的常规超导的波函数是各向同性的s波。要寻求各向异性的超导波函数如d波和p波超导,一种可能的途径是寻找其他耦合配对作用,如铜基和铁基等高温超导材料中的磁相互作用;另一种方法则是引入各向异性的电声子相互作用,改变配对波函数的空间对称性,但是到目前为止,这种在弱自旋轨道耦合的三维材料中的尝试还未能成功。

通过用Cu、Sr、Nb等元素对三维拓扑绝缘体Bi2Se3进行掺杂可以诱导出超导,而且随后该超导被认为是拓扑超导。该发现使得电声子能否诱导出非常规超导电性的问题变得更加突出。其原因在于,这类材料被证实具有强各向异性的非常规超导配对对称性。与此同时,由于这些材料中电子的关联效应较弱,电声子相互作用很可能是导致该类材料超导的主要机制。万贤纲教授等人在理论上对这一问题进行了解答[Nat. Commun. 5, 4144 (2014)]。他们基于第一性原理计算,指出由于相关材料中存在的强自旋轨道耦合效应,在布里渊区特定区域的某些声子会发生异常,从而导致奇异的电声子耦合作用,进而导致非常规的超导配对对称性,如p波超导。

为了从实验上对该材料的声子,以及进一步的超导配对对称性进行研究,温锦生教授课题组生长了高质量Sr0.1Bi2Se3单晶并进行了非弹性中子散射测量。实验结果表明在该体系中存在着高度各向异性的声子模式:一些长波声子的线宽度仅在沿着[001]方向会出现非常明显的增大。图1 a, b插图分别展示了中子散射实验测量的在倒空间布拉格峰(0, 0, -15)处沿着 [100]和[001]方向的低能声子谱。对于沿着[100]方向的声子,其线宽在数据范围内基本保持不变;然而在另一方向[001]上,声子线宽在靠近布里渊区中心时发生了明显展宽。这一规律在c,d图的能量扫描中清晰可见: 在图c中,声子的峰宽随着动量q变化基本没有发生改变;而在图d中q>1.0 rlu处,声子受限于仪器分辨率呈现出尖峰,到 q=0.5 rlu处则已经演变为非常宽的峰形。这一现象与万贤纲教授之前的理论预测非常吻合[Nat. Commun. 5, 4144 (2014)]。理论认为,由于体系中存在的强自旋轨道耦合效应导致的该奇异声子产生了对动量具有强依赖关系的电声子相互作用。在这种情况下,计算表明不同配对通道的强度相近。在考虑库伦相互作用后,具有Eu对称性的p波奇宇称超导占据优势地位,从而造成非s波的电声耦合配对超导。实验团队随后对样品进行了电输运表征,测量结果也支持面内Eu配对的二重对称性超导。

图1. a和b,中子散射实验中在倒空间布拉格峰(0, 0, -15)处分别沿着 [100]和[001]方向的声子谱,TA和LA分别代表横声学支和纵声学支声子。c和d分别对应于a和b中在不同动量q处声子色散在能量上的变化。

通过实验上清晰的结果与理论分析,该工作首次给出了在真实材料体系中电声子耦合机制导致非常规超导现象的证据,拓宽了人们对非常规超导配对机制的认知。值得一提的是,近期包括万贤纲教授等理论研究者在弱关联电子体系中进行了地毯式搜索,发现了成千上万种拓扑材料[Nature 566, 475 (2019); Nature 566, 480 (2019);Nature 566, 486 (2019)]。这一工作表明了在弱关联电子体系中电声子耦合能够诱导出满足拓扑超导的配对对称性,为进一步在理论预言的拓扑材料中寻找拓扑超导电性提供了重要参考。

南京大学物理学院温锦生教授课题组的博士生王靖珲为文章第一作者,万贤刚教授和温锦生教授为共同通讯作者。中子散射实验工作是在德国慕尼黑工业大学的中子研究中心和日本JPARC散裂中子源的谱仪上完成的。该工作得到了国家自然科学基金、一流大学和一流学科建设计划、江苏省自然科学基金、南京大学国际合作与交流处的支持。

(物理学院 科学技术处)