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2023年6月26日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的許言教授在Nature上發(fā)表了一篇文章，題為“Functional Group Translocation of Cyano Groups by Reversible C-H Sampling”。

無獨(dú)有偶，僅僅兩天之后，北大再發(fā)Nature！本文中，將重點(diǎn)介紹以下文章。

對密度波(PDW)是一種特殊的超導(dǎo)態(tài)，其中庫珀對攜帶非零動(dòng)量。最近，已經(jīng)出現(xiàn)了高溫(高T_c)的銅氧化物超導(dǎo)體和籠目超導(dǎo)體中固有PDW有序性的證據(jù)。然而，鐵基高溫超導(dǎo)體中的PDW有序性，尚未在實(shí)驗(yàn)中觀察到。

在此，來自美國波士頓學(xué)院的Ziqiang Wang & 北京大學(xué)的王健等研究者利用掃描隧道顯微鏡和光譜技術(shù)，在SrTiO₃(001)襯底上生長的單層鐵基高 Tc Fe(Te, Se)薄膜中發(fā)現(xiàn)了 PDW 態(tài)。相關(guān)論文以題為“Pair density wave state in a monolayer high-T_c iron-based superconductor”于2023年06月28日發(fā)表在Nature上。

在傳統(tǒng)的Bardeen-Cooper-Schrieffer超導(dǎo)體中，攜帶時(shí)間反轉(zhuǎn)動(dòng)量的電子，形成零質(zhì)量中心的庫珀對并產(chǎn)生一個(gè)可平移不變的超導(dǎo)有序性參數(shù)。在時(shí)間反演對稱性被破壞的交換場中，庫珀對可能獲得有限動(dòng)量Q并顯示空間非均勻的對密度，這被稱為富勒-費(fèi)雷爾-拉金-奧夫欽尼科夫(FFLO)態(tài)。

進(jìn)一步的研究將有限動(dòng)量配對狀態(tài)推廣到涉及多個(gè)Q分量的情境中，而不必破壞時(shí)間反演對稱性。這種對密度波(PDW)態(tài)被提出存在并在高溫(高T_c)的銅氧化物超導(dǎo)體中發(fā)揮基本作用。

此外，相鄰CuO₂平面中的正交PDW態(tài)被提出來解釋塊狀La_2-xBa_xCuO₄(x = 1/8)的二維超導(dǎo)性。然而，之前關(guān)于PDW態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究主要基于塊狀超導(dǎo)體，并且在低維極限下直接可視化PDW是具有挑戰(zhàn)性的。

與銅氧化物超導(dǎo)體類似，鐵基超導(dǎo)體(FeSCs)具有復(fù)雜的相圖，存在多種對稱性破壞的電子態(tài)，如向列相和條紋反鐵磁態(tài)。在平面內(nèi)磁場下，F(xiàn)eSCs中低溫下的上臨界場異常上升被報(bào)道，被認(rèn)為是FFLO狀態(tài)的標(biāo)志。

然而，直接證據(jù)表明FeSCs中存在PDW有序性是缺乏的。在FeSCs中，單層FeSe和Fe(Te,Se)薄膜由于其高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)而受到廣泛關(guān)注。最近，在STO基底上的非超導(dǎo)多層FeSe中觀察到了電荷有序性，這引發(fā)了一個(gè)問題：是否可以在超導(dǎo)單層FeSe或Fe(Te,Se)薄膜中出現(xiàn)PDW有序性？

在這里，研究者使用原位掃描隧道顯微鏡(STM)和掃描隧道能譜學(xué)(STS)報(bào)告了沿著固有域壁的1-UC Fe(Te,Se)/STO薄膜中的PDW狀態(tài)的觀察結(jié)果。

通過局部態(tài)密度的空間電子調(diào)制、超導(dǎo)能隙和π相移邊界的環(huán)繞糾纏電荷密度波有序性的渦旋周圍，觀察到具有周期為λ≈3.6a_Fe(a_Fe是鄰近Fe原子之間的距離)的PDW狀態(tài)。在單層Fe(Te,Se)薄膜中觀察到PDW狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)低維平臺，來研究高T_c超導(dǎo)體中相關(guān)電子態(tài)和非常規(guī)配對相互作用。

圖1.? 1-UC Fe (Te, Se)/STO 中沿 Fe-Fe 鍵方向的疇壁

圖2. LDOS 在結(jié)構(gòu)域壁上的空間調(diào)制標(biāo)記為 D1

圖3. D2標(biāo)記的疇壁相干峰高度的周期性調(diào)制

圖4. 磁疇壁上的超導(dǎo)間隙能量調(diào)制被標(biāo)記為 D3

圖5. PDW 相中的π相移邊界

綜上所述，研究者在1-UC Fe(Te,Se)/STO中發(fā)現(xiàn)了具有周期為λ≈3.6a_Fe的不同步PDW狀態(tài)，位于域壁上。研究者的發(fā)現(xiàn)表明，自然出現(xiàn)的2D FeSCs中的量子結(jié)構(gòu)，如嵌入的域壁，為研究PDW狀態(tài)及其與拓?fù)潆娮討B(tài)和非常規(guī)高T_c超導(dǎo)性的相互作用，提供了新的材料平臺。

作者簡介

王健，1979年生，2001年畢業(yè)于山東大學(xué)物理學(xué)院（物理學(xué)學(xué)士），2006年畢業(yè)于中國科學(xué)院物理研究所（凝聚態(tài)物理博士）。2006年到2010年，在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)納米科學(xué)中心和物理系做博士后。2010年到2011年任美國賓夕法尼亞州立大學(xué)納米科學(xué)中心助理研究員 (Research Associate)。2010年受聘為北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心博士生導(dǎo)師、研究員。2012年入選科技部青年科學(xué)家專題項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。2012年獲自然基金委優(yōu)秀青年基金。2015年獲第二屆馬丁伍德爵士中國物理科學(xué)獎(jiǎng)。2015和2016年榮獲北京大學(xué)優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)教師獎(jiǎng)。2016年入選教育部長江學(xué)者特聘教授。

文獻(xiàn)信息

Liu, Y., Wei, T., He, G.?et al.?Pair density wave state in a monolayer high-Tc?iron-based superconductor.?Nature?618, 934–939 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06072-x

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06072-x

https://faculty.pku.edu.cn/wangjian/zh_CN/more/9301/jsjjgd/index.htm

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