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重磅:零场对密度波的首次直接可视化

科学探索万象经验2023-07-11

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。