近期，中國科學院物理研究所副研究員陳輝和研究員高鴻鈞對目前受到廣泛關注的超導中的配對密度波研究進行了評述。相關文章以Widespread pair density waves spark superconductor search（《廣泛關注的配對密度波引發超導研究熱潮》）為題，發表在《自然》“新聞-觀點”（News & Views）欄目【Nature 618, 910-912 (2023)】上。

　　超導是電子在微觀世界里兩兩配對組成庫珀對后集體凝聚形成的宏觀量子態。在傳統的超導體內部，庫珀對的兩個電子有著相反的動量。因此，庫珀對本身總動量為零，在超導體內均勻分布，不會在平衡態中呈現波動特性。1964年，理論學家Fulde P, Ferrell RA和Larkin AI, Ovchinnikov YN預言在有外部磁場，嚴格來說，在磁場的Zeeman能作用下，電子可以組成動量不為零的庫珀對。這種庫珀對凝聚形成的超導態就會呈現出波動的特性，稱為 “FFLO”態。在沒有磁場的情況下，動量不為零的庫珀對形成的超導態被稱為配對密度波（Pair Density Wave）。配對密度波的形成很可能反映體系內部的電子關聯特性。理論上，配對密度波預言可以在電子關聯很強的非常規超導體中出現；實驗上，經過二十多年的努力，在強關聯的銅基高溫超導體中已尋找到配對密度波存在的證據。配對密度波是否可以在電子關聯相對較弱的非常規超導體中出現？配對密度波是否是超導體系中由電子關聯引發的普適現象？這對探究非常規的超導配對機理及電子關聯物理極其重要。因此，在超導體中尋找配對密度波在凝聚態物理研究中備受關注。實驗上能否在銅基超導體以外的超導體系中發現配對密度波是該領域面臨的挑戰，對超導研究頗為重要。

　　近幾年，物理所高鴻鈞院士團隊開展了超導前沿探索研究。在他的帶領下，陳輝和研究員楊海濤等首次在新型層狀籠目超導體CsV₃Sb₅中觀測到旋子配對密度波。該工作得到國際超導研究領域的廣泛關注和高度重視，并掀起了配對密度波研究的浪潮。同年，Séamus Davis團隊在過渡金屬硫族化合物NbSe₂中觀測到配對密度波。

　　該領域的前沿探索者分別在三個不同的非常規超導材料體系中均觀測到了配對密度波。

　　（1）在磁性與超導共存的鐵基超導體EuRbFe₄As₄中，Kazuhiro Fujita等發現周期大致為8個晶格長度的非公度配對密度波 （圖1a）。該配對密度波同時破壞旋轉對稱性和平移對稱性，是一種具有層列相 （smectic） 的配對密度波。超導空間調制現象在磁性轉變溫度點附近消失，預示著該材料中的磁性層與超導層存在一定的相互作用，為配對密度波的原子層間調制開辟了新方向【Nature 618, 940 (2023)】。

　?。?）在SrTiO₃襯底上生長的單層Fe(Se,Te)薄膜中，王健和汪自強等發現了局域在晶格疇界處、周期為3.6倍的Fe-Fe間距的配對密度波（圖1(b)）。該工作為探索非常規超導體中庫珀對與其他關聯電子態相互作用提供了理想的低維材料研究平臺【Nature 618, 934 (2023)】。

　?。?）在自旋三態超導體材料UTe₂中，Vidya Madhaven等觀測到奇特的隨外部磁場演變、沿三個方向傳播的非公度電荷密度波，并認為這個反常的電荷密度波來源于配對密度波。該工作對探討自旋三態超導體UTe₂的序參量奠定了重要的基礎 （Nature 618, 928 (2023)）。Séamus Davis等使用超導材料針尖構造約瑟夫森隧道異質結進行STM測量，證實了UTe₂中存在配對密度波。研究認為UTe₂中的配對密度波具有與電荷密度波相同的沿三個方向非公度周期，是一種自旋三態配對密度波（圖1c）。由于自旋三態配對密度波只在超流體3He被實驗觀測到，研究認為該工作很可能是首次在固態超導材料中觀測到自旋三態配對密度波【Nature 618, 921 (2023)】。

　　目前的研究進展表明配對密度波幾乎在不同的非常規超導體系中普遍存在。這些進展對后續深入研究并理解非常規超導體中的超導特性、電子關聯以及多種交纏序之間的關系奠定了堅實的基礎。

　　在國際上超導領域這一波研究配對密度波的浪潮中，物理所及合作者的突破性工作引領了該方向的發展。

　　論文鏈接 

在鐵基超導體EuRbFe₄As₄（a）、二維鐵基超導體Fe(Se, Te)薄膜（b）和自旋三態超導體UTe₂（c）中觀測到配對密度波的示意圖。