超导技术的突破：物理学家首次直接观察到零磁场配对密度波

在超导领域 - 电子可以流过电阻基本为零的材料的现象中最重要的目标是一种可以在日常温度和压力下运行的超导体。 这种材料可以彻底改变现代生活。 但目前，即使是已发现的“高温”（高温）超导体也必须保持非常冷的状态才能发挥作用，因为对于大多数应用来说，这种条件都太冷了。

在实现室温超导之前，科学家们还有很多东西需要学习，这主要是因为超导体是高度复杂的材料，其磁性和电子状态相互交织，有时甚至相互竞争。 这些不同的状态或阶段可能很难理清和解释。

其中一种状态是物质的交替超导状态，称为配对密度波（PDW），其特征是不断运动的耦合电子对。 迄今为止，PDW 一直被认为只有将超导体置于大磁场中时才会出现。

布鲁克海文实验室研究团队成员（从左至右）Raymond Blackwell、He Chao 和 Kazuhiro Fujita。 图片来源：布鲁克海文国家实验室

最近，美国能源部布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学和日本先进产业技术研究所的研究人员在没有磁场的情况下直接观察到了铁基超导材料中的PDW。 他们在 2023 年 6 月 28 日的《自然》杂志在线版上描述了他们的研究结果。

参与这项研究的布鲁克海文物理学家 Kazuhiro Fujita 表示：“我们领域的研究人员推测 PDW 可能独立存在，但证据充其量也很模糊。这种铁基超导体是第一种有证据明确表明零磁场PDW的材料。 这是一个令人兴奋的结果，为超导研究和发现开辟了新的潜在途径。”

这种材料，即铁磷化物EuRbFe4As4 (Eu-1144)，具有层状晶体结构，也非常引人注目，因为它自然地表现出超导性和铁磁性。 这种不寻常的双重身份最初吸引了该小组的材料并引导他们进行研究。

“我们想了解这种磁性是否与超导性有关？ 一般来说，超导体会因磁序而不稳定，因此当超导性和磁性同时存在于单一化合物中时，看看它们两者如何共存是很有趣的。”该论文的合著者之一、物理学家 Abhay Pasupathy 说道。 隶属于布鲁克海文和哥伦比亚大学。 “可以想象，这两种现象存在于大院的不同部分，并且彼此无关。 但相反，我们发现两者之间存在着美妙的联系。”

Pasupathy 和他的同事在布鲁克海文的超低振动实验室使用最先进的光谱成像扫描隧道显微镜 (SI-STM) 研究了 Eu-1144。

Fujita 说：“随着尖端与表面之间的电压变化，该显微镜可测量材料‘通道’中特定位置在样品表面和 SI-STM 尖端之间来回的电子数量。这些测量工作使我们能够创建样品晶格和每个原子位置不同能量的电子数量的图。”

随着温度升高，他们对样品进行了测量，经过两个临界点：磁性温度（低于该温度，材料表现出铁磁性）和超导温度（低于该温度，材料能够以零电阻承载电流）。

在样品的临界超导温度以下，测量结果显示电子能谱中存在间隙。 这个间隙是一个重要的标志，因为它的大小相当于分解携带超导电流的电子对所需的能量。 间隙的调制揭示了电子结合能的变化，其在最小值和最大值之间振荡。 这些能隙调制是 PDW 的直接特征。

这一发现为研究人员指明了一些新的方向，例如尝试在其他材料中重现这种现象。 PDW 的其他方面也可以进行研究，例如尝试通过材料其他属性中显示的特征来间接检测电子对的运动。