配對密度波（PDW）是一類奇異的超導(dǎo)態(tài)，其每個庫珀對攜帶的總動量非零。因而，庫珀對凝聚在動量空間中的若干非零點。與Fulde-Ferrell和Larkin-Ovchinnikov早期提出的、在外加磁場下形成的超導(dǎo)態(tài)——FFLO態(tài)有所區(qū)別，PDW超導(dǎo)態(tài)無需外加磁場而自發(fā)破缺了平移對稱性，除了零電阻、完全抗磁等超導(dǎo)體的通常特性外，還伴隨著電荷密度的空間調(diào)制。這種成套的派生電荷密度波調(diào)制即使在高于超導(dǎo)臨界溫度的一定溫區(qū)內(nèi)也可能存在。當(dāng)前研究認(rèn)為PDW存在于包括銅氧化物超導(dǎo)在內(nèi)的各種關(guān)聯(lián)電子材料、冷原子系統(tǒng)以及某些具有嵌套費米面的體系中。

　　最近發(fā)現(xiàn)的籠目（Kagome）晶格超導(dǎo)體AV₃Sb₅（A=K, Rb, Cs）材料引起了國際凝聚態(tài)物理學(xué)界的廣泛興趣。中國科學(xué)院院士、中科院物理研究所高鴻鈞研究組與合作者首先報道了CsV₃Sb₅中存在PDW的一些特征。對于這類材料中的超導(dǎo)，也存在一些看似相互矛盾的實驗結(jié)果。例如，一方面，AV₃Sb₅在NMR等實驗中呈現(xiàn)出自旋單態(tài)和傳統(tǒng)s波電子配對的特性；另一方面，又在熱輸運和STM實驗中觀察到極低溫下的殘余熱輸運系數(shù)和具有殘余零能量貢獻的“多能隙”V形的態(tài)密度。后者通常意味著體系中存在無能隙的、具有費米面特征的電子態(tài)，與通常的s波電子配對超導(dǎo)的特性不符。此外，一些理論和實驗工作表明該體系中存在時間反演對稱性破缺。

　　近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計算實驗室研究員周毅、特聘研究員蔣坤與清華大學(xué)高等研究院教授姚宏合作，從CsV₃Sb₅具有六邊形且近乎嵌套的費米面這一事實出發(fā)，提出了一個配對密度波超導(dǎo)模型，其具有與費米面嵌套相關(guān)的庫珀對質(zhì)心動量。這一理論框架預(yù)言了超導(dǎo)態(tài)時間和空間反演對稱性的自發(fā)破缺，對上述看似矛盾的實驗結(jié)果給出了較統(tǒng)一的解釋。該理論工作指出時間和空間反演對稱性的自發(fā)破缺源自不同質(zhì)心動量配對模式之間的相位相干，使得PDW超導(dǎo)態(tài)具有穩(wěn)定的Bogoliubov費米面。該工作進一步計算了這種對稱破缺態(tài)的各種性質(zhì)，包括（局域）態(tài)密度和電子譜函數(shù)，得到的結(jié)果與現(xiàn)有的實驗具有較好的定量吻合。該理論還預(yù)言了實驗中可能觀察到的準(zhǔn)粒子散射相干效應(yīng)和在當(dāng)前能量尺度下尚未觀測到的派生電荷密度波序。

　　這項工作不僅有助于理解AV₃Sb₅籠目晶格化合物中的奇異超導(dǎo)態(tài)，而且所提出的理論模型也具有一定的普遍性，對一系列后續(xù)研究有啟發(fā)作用。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表于Phys. Rev. Lett.。相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會、王寬誠教育基金委員會、北京市自然科學(xué)基金委員會和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1 六角晶格第一布里淵區(qū)和配對密度波的嵌套行為：(a) 布里淵區(qū)和填充數(shù)為時的嵌套費米面，(b) 每一個沿著Qα方向的費米面段上的動量k都有兩個對應(yīng)的位于費米面上的動量-k±Qα與之形成非零質(zhì)心動量（±Qα）的庫伯對。

圖2 (a) 體系凝聚能。凝聚能最大的態(tài)破壞時間反演和空間反演對稱性。(b)-(d): 最低能量態(tài)對應(yīng)的Bogoliubov準(zhǔn)粒子能譜色散關(guān)系和費米面。

　　圖3 態(tài)密度及局域態(tài)密度。(a)-(b): 不同溫度下的體系態(tài)密度及其與均勻s波超導(dǎo)態(tài)密度的對比。(c) 派生的電荷密度波序?qū)?yīng)的三類不等價波矢。(d）三類電荷密度波序?qū)?yīng)的局域態(tài)密度。

　　圖4 配對密度波超導(dǎo)態(tài)（(a)）和均勻s波超導(dǎo)態(tài)（(b)）中準(zhǔn)粒子散射相干對局域態(tài)密度的調(diào)制及其對應(yīng)的電子譜函數(shù)（(c)和(d)）。(a)和(c)中的波矢q_¹和q_²表明局域態(tài)密度的改變主要來自于譜函數(shù)大的兩個準(zhǔn)粒子之間的散射過程。