殷嘉鑫团队Nat. Mater.：未知磁性超导态的新发现

一、【科学背景】

在量子态中，磁性与超导通常被认为是互斥的，然而磁性超导在晶格阻挫体系中的关联并非没有可能。笼目（kagome）晶格是由共用顶点连接组成的三角形晶格，这是一种具有几何阻挫的晶体结构。研究表明，在笼目晶格中，材料的超导性与磁性存在密切关键关联，现已成为量子领域研究的热点。有关笼目结构的最早起源，我国南方滚球体育 大学科学家殷嘉鑫与考古学家发现笼目记载起源于秦汉时期的古中国。此后，他们进行了深入探索，进一步推动了拓扑笼目材料的研究，特别是对笼目超导体类材料CsV₃Sb₅时间反演对称性破缺性质的研究。然而，它们的超导基态的性质仍然难以捉摸，该领域的研究仍然充满挑战。

二、【创新成果】

基于上述挑战，近期南方滚球体育 大学物理系殷嘉鑫副教授课题组带领多个国际成员组成的国际团队在磁性超导调控方向取得新进展。研究人员利用扫描隧道显微镜和自旋共振技术证明了笼目金属Cs(V, Ta)₃Sb₅的时间反演对称性破缺性超导性，其中库珀对表现出磁性并被其调制。在磁通道中，研究人员观察到完全间隙超导状态下的自发磁性，这证明了磁性超导的存在。在逆磁场的扰动下，研究人员继续探测到了波哥留波夫准粒子在圆形矢量上的时间反演不对称干涉。在此矢量处，对隙自发调制，这与发生在点矢量处的对密度波不同，并且与时间反演对称性破缺下异常干涉效应的理论一致。内部磁性、波哥留波夫准粒子和配对调制之间的相关性为时间反演对称性破缺提供了一系列实验指示。

图1完全打开的超导能隙和自发磁性；© Springer Nature Limited 2024

首先，如图1所示，研究人员发现笼目超导体CsV₃Sb₅在P6/mmm空间群中结晶，具有钒阳离子的笼目网络，由Sb的八面体协调，并进一步被Cs层分开。当在V-笼目层中掺入14%的Ta原子时，电荷密度波阶被完全抑制，超导临界温度提高到5 K。研究人员观察到，Ta原子的掺杂，CsV₃Sb₅中的电荷序已经不复存在，而是呈现出一个完全打开的超导能隙，在缪子散射实验观测下，该超导材料还自发产生了一个微小的磁性信号，被称为自发磁性。自发磁性信号是超导磁性共存的重要依据。

图2磁场非互易的超导电子结构信号；© Springer Nature Limited 2024

此外，磁场非互易的电子结构信号也是磁性超导的重要佐证。如图2所示，这里，经过测量后，研究人员巧妙的设计了一个计算模式。研究人员发现超导电子结构强度与外加磁场的关联度十分密切。所以，第一步可在正向磁场作用下测量电子结构，反之在反向磁场下再进行测量，最后进行前后测量数据的减法计算，就可得到磁场非互易的信号。值得注意的是，这种非互易信号与磁性超导状态是相关的。

图3超导能隙的自发震荡；© Springer Nature Limited 2024

如图3所示，研究人员继续在零磁场下对超导能隙进行了谱学测量研究。结果发现，超导能隙在动量波矢里呈现出小幅震荡。这种震荡与Ta掺杂引起的磁性超导体产生微小震荡的理论研究是吻合的。研究人员表明，自发磁性与超导震荡都是在零磁场下出现，从而得到了完整的磁性笼目超导证据链。

该研究观测到时间反演对称性破缺的笼目超导态，并开发了系统研究磁性超导的高分辨率电子谱学方法，取得了重要突破。相关成果以“Evidence for time-reversal symmetry-breaking kagome superconductivity”为题发表在国际顶级期刊Nature Materials上。

三、【科学启迪】

综上所述，研究人员深入分析了笼目超导材料CsV₃Sb₅在Ta掺杂下的磁性超导性能。研究人员观察到完全间隙超导状态下材料的自发磁性，这证明了磁性超导的存在。该项研究已经取得了重要突破，但对其它待研究的磁性超导材料（例如UTe₂、Sr₂RuO₄等）的现象解释仍然有待完善，此外，对CsV3Sb5在Ta掺杂下的所有现象的细节解释还有待全面分析。尽管如此，在现已有的研究发现中，磁性超导仍然是一种未知的量子物态，有关磁性笼目超导现象存在的研究表明，磁性超导材料未来有着广阔的研究空间，值得更多的科研工作者去探索。

文献链接：Evidence for time-reversal symmetry-breaking kagome superconductivity，2024，https://doi.org/10.1038/s41563-024-01995-w）

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