凝聚態(tài)物理學中，自發(fā)對稱性破缺現(xiàn)象對于相變的研究往往具有非常重要的意義。超導相變通常與規(guī)范對稱性破缺相關，而其他類型對稱性破缺的出現(xiàn)，往往會誘導一些非常規(guī)超導電性，例如時間反演對稱性破缺和晶格旋轉(zhuǎn)對稱性破缺。

最近，來自浙江大學的研究團隊與日本東京大學，中科院物理所，浙江工業(yè)大學，復旦大學等單位合作，報道了在具有六角晶格結(jié)構(gòu)的拓撲材料PbTaSe2的超導態(tài)中，觀測到電阻上臨界場和點接觸譜中具有的二重對稱現(xiàn)象。這種二重對稱性在塊體超導電性被抑制后依舊存在，并且一直持續(xù)到表面超導的上臨界場，意味著其可能是一種“僅存在于表面”的向列性超導。作為佐證，對塊體的平面內(nèi)的磁場轉(zhuǎn)角比熱測量，并沒有觀測到超導態(tài)的六度晶格旋轉(zhuǎn)對稱性破缺現(xiàn)象。理論計算發(fā)現(xiàn)這種向列超導電性可能來源于PbTaSe2的拓撲表面態(tài)超導。這些發(fā)現(xiàn)，為揭示向列超導電性與非平庸拓撲性質(zhì)的關系提供了新的視角。

諸如銅氧化物超導材料，鐵基超導材料和重費米子材料等一系列凝聚態(tài)物質(zhì)，均呈現(xiàn)出奇異的電子向列序行為，其對稱性低于晶格的旋轉(zhuǎn)對稱性，這與液晶的向列性極其相似。另一方面，伴隨著拓撲絕緣體和拓撲半金屬的發(fā)現(xiàn)，拓撲超導體因為其在拓撲量子計算中的應用前景而吸引了眾多研究者的注意力。其中，拓撲超導候選材料CuxBi2Se3表現(xiàn)出晶格旋轉(zhuǎn)對稱性破缺，被認為與拓撲超導電性緊密相關。因此，在其他拓撲超導候選材料中尋找向列性超導尤為重要，它將有助于進一步研究向列性超導與能帶非平庸拓撲性質(zhì)的關系。 人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)非中心對稱超導材料PbTaSe2存在著狄拉克節(jié)點線及其自旋極化的拓撲表面態(tài)。作為一個純凈的化合物，PbTaSe2是一個非常合適的拓撲超導候選材料。最近，通過磁場轉(zhuǎn)角的電阻和點接觸譜測量手段，來自浙江大學的研究團隊發(fā)現(xiàn)，PbTaSe2的平面內(nèi)電阻上臨界場以及點接觸譜都呈現(xiàn)出明顯的二重對稱性，并且一直持續(xù)到電阻上臨界場。由于體態(tài)的超導電性在比熱對應的上臨界場時已經(jīng)被抑制，結(jié)合理論分析，他們推測PbTaSe2中觀測到的向列性超導很可能只與拓撲表面態(tài)超導有關。

圖1.（a）PbTaSe2磁場轉(zhuǎn)角的軟點接觸譜測量示意圖。（b）1.8 K時，不同磁場強度下點接觸的零偏壓電阻隨著平面內(nèi)磁場方向的變化；（c）在1.8 K，0.3 T時，點接觸電導曲線隨著平面內(nèi)磁場方向的三維等高圖；（d） 0.35 K時，在不同磁場下比熱隨著平面內(nèi)磁場方向的變化，曲線有平移。

圖1（a）是磁場轉(zhuǎn)角下的軟點接觸譜技術(shù)，其中磁場方向始終在樣品的ab平面內(nèi)。圖1（b）表示溫度在1.8 K時不同磁場強度下，零偏壓點接觸電阻（ZBR）隨著平面內(nèi)磁場方向的變化。~1.0 T以下，可以看到ZBR明顯的啞鈴狀二重對稱行為，這表明超導能隙各向異性，且具有C2對稱性。通過在1.8 K，0.3 T時不同磁場方向點接觸電導曲線G（V）的三維等值線彩圖，可以發(fā)現(xiàn)安德列夫反射引起的電導峰寬度及強度也呈現(xiàn)出二重對稱的行為，其結(jié)果如圖1（c）所示。當磁場沿著平行于Se-Se （Pb-Pb）的晶軸時，超導信號被平面內(nèi)的磁場顯著減弱了，點接觸電導曲線G（V）的電導峰結(jié)構(gòu)比較瘦弱，表明上臨界場的最小值是沿著晶軸方向。因此，這里在超導態(tài)內(nèi)觀測到的二重對稱行為表明，PbTaSe2中存在著因為晶格旋轉(zhuǎn)對稱性破缺而具有的向列性超導。

同時，他們注意到ZBR的二重對稱性強度隨著平面內(nèi)磁場的增大，在0.2-0.4 T時達到最大，且一直持續(xù)到~0.8 T?？紤]到PbTaSe2存在自旋極化的拓撲表面態(tài)，他們推測這種向列性超導可能與體態(tài)超導無關，僅僅起源于超導的拓撲表面態(tài)。而合作者們在平面內(nèi)磁場轉(zhuǎn)角比熱測量中并沒有觀察到體態(tài)超導的各向異性行為，如圖1（d）所示。據(jù)他們所知，這可能是第一次在實驗上觀測到僅來自于表面的向列性超導。

來自PbTaSe2表面的向列性超導的起源還有待進一步的研究，但是他們的研究結(jié)果表明PbTaSe2作為一個純凈的化合物，可能是研究向列性超導與拓撲超導關系的理想材料體系。同時，合作者們也從理論上分析了PbTaSe2拓撲表面態(tài)形成超導后可能的庫伯對配對對稱性，并發(fā)現(xiàn)當A1和E超導配對態(tài)混合存在時，可以出現(xiàn)實驗中觀測到的向列性超導。具體內(nèi)容請參見原文。

本研究由國家重點研發(fā)計劃（2016FYA0300402， 2017YFA0303101， 2016YFA0300202）、國家自然科學基金（11674279， U1732162， 11974061， 11774306， 11374257）、浙江省杰出青年基金（LR18A04001）和中科院先導計劃（XDB28000000）等項目資助。日本合作者由JSPS-KAKENHI （JP20H05164， 19K14661， 15H05883， 18H01161， JP17K05553）和J-Physics（18H04306）等項目資助。
責任編輯:pj