重磅：零场对密度波的首次直接可视化

超导是一种奇妙的物理现象，它表现为某些材料在低温下电阻突然消失，电流可以无损耗地流过。超导现象的本质是由库珀在1956年提出的：在低温下，电子之间会形成一种特殊的束缚态，称为库珀对。库珀对之间相互排斥，从而避开了晶格中的杂质和振动，实现了无阻力运动。库珀对可以看作是一个玻色子，它们可以凝聚到一个量子态，形成一个宏观的波函数，称为超流密度。这个波函数具有确定的相位和幅值，反映了超导体内部的相干性和对称性。

在传统的超导体中，库珀对是由声子（晶格振动）介导的，它们具有零的质心动量，也就是说，它们在空间上是均匀分布的。这样的超导体具有很高的对称性，可以用所谓的s波对称性来描述。然而，在高温超导体中，情况就不同了。高温超导体是指在液氮温度（77K）以上就能出现超导现象的材料，它们通常具有复杂的晶体结构和强关联电子行为。高温超导体中的库珀对是由什么介导的？它们有什么样的对称性？这些问题至今没有得到明确的答案。

一种可能的答案是：高温超导体中存在一种非常规的超导态，称为配对密度波（PDW）。PDW是一种库珀对携带非零质心动量的超导态，它会打破平移对称性，在空间上形成周期性或准周期性的调制。PDW可以看作是两个反向运动的d波超流密度叠加而成，它们具有相反的相位和动量。PDW与普通的密度波不同，后者是由单个电子形成的空间有序态，例如电荷密度波或自旋密度波。PDW也与普通的d波超导不同，后者是由零动量的库珀对形成的空间反对称态，例如铜氧化物高温超导体中的d波超导。

PDW是一种非常有趣的超导态，它可以解释一些高温超导体中观察到的奇异现象，例如偶极子隧穿谱、磁场诱导的相变、奇数频率超导等。然而，PDW的直接证据一直很难获得，因为它通常与其他密度波序共存，或者只在强磁场下才能稳定存在。因此，人们一直在寻找一种零场下的原生PDW态，它不依赖于其他空间有序态的存在，也不受磁场的影响。

最近，一组研究人员在一种铁基超导体EuRbFe4As4中发现了这样一种零场下的原生PDW态。EuRbFe4As4是一种具有层状结构的铁基超导体，它在37K时发生超导转变，在15K时发生反铁磁转变。这种材料的特点是它具有很强的自旋轨道耦合和电子关联效应，这可能有利于形成非常规的超导态。

研究人员使用了一种非常敏感的探测工具，称为扫描隧道显微镜（STM）。STM可以在原子尺度上测量材料表面的电子密度和能隙结构，从而揭示超导体内部的微观物理。研究人员在低温下对EuRbFe4As4进行了STM测量，发现了一些惊人的结果。

首先，他们发现，在低温和零场下，EuRbFe4As4表面的超导能隙具有明显的空间调制，呈现出一维的条纹状结构。这些条纹沿着晶格的一个方向排列，具有不可公度（incommensurate）的周期，约为8个晶格常数。这些条纹在整个样品表面都是一致的，表明它们具有很长的相干长度。这些条纹就是PDW态的直接证据，它们反映了库珀对具有非零质心动量，在空间上形成了液晶型的配对密度波。

其次，他们发现，在温度升高到15K时，即反铁磁转变温度时，这些条纹消失了，但是均匀的超导能隙仍然存在，直到37K时才消失。这说明，在EuRbFe4As4中，PDW态是一个低温相，它与反铁磁序竞争而存在。当反铁磁序消失后，PDW态也消失了，留下了一个普通的s波超导态。这个结果表明，在EuRbFe4As4中，PDW态是一个零场下的原生态，它不依赖于其他密度波序的存在。

最后，他们发现，在外加磁场下，PDW态也会消失。当磁场足够强时，在样品表面会形成涡旋，每个涡旋中心相当于一个局域化的磁通量子。在涡旋周围有一个所谓的涡旋光环（vortex halo），它是一个超导能隙被破坏的区域。研究人员发现，在涡旋光环内，PDW态的条纹也消失了，只剩下均匀的超导能隙。这说明，PDW态对磁场非常敏感，一旦磁场超过某个临界值，PDW态就会被破坏。这个结果也表明，在EuRbFe4As4中，PDW态是一个零场下的原生态，它不受磁场的影响。