实验室殷嘉鑫课题组发现配对密度波的相位敏感证据

近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室殷嘉鑫副教授课题组联合粤港澳大湾区量子科学中心及国内外合作者，在笼目超导体有限动量配对研究方向取得重要进展。研究团队利用原子级非磁性杂质设计、约瑟夫森扫描隧道显微镜和超高能量分辨率扫描隧道谱学方法，在笼目超导体 KV₃Sb₅ 中发现，等价非磁性 Ta 杂质能够显著抑制 2×2 配对密度波，而电荷序和均匀超导仍保持稳健。结合 X 射线衍射、角分辨光电子能谱、第一性原理计算和理论模型分析，研究团队进一步排除了电荷序破坏、费米面重构和磁性散射等可能解释，揭示了非磁性杂质对配对密度波的拆对效应。该结果为笼目超导体中配对密度波的相位符号反转提供了关键的相位敏感证据。相关成果以 “Phase-sensitive evidence for pair density wave in a kagome superconductor” 为题发表在国际学术期刊 Proceedings of the National Academy of Sciences 上。

早在 60 多年前，Fulde、Ferrell、Larkin 和 Ovchinnikov 就预言，超导体中可能存在一种不同于传统均匀超导的有限动量配对态[Phys. Rev. 135, A550 (1964); Sov. Phys. JETP 20, 762 (1965)]。在普通超导体中，库珀对通常具有零总动量，超导序参量在空间中近似均匀；而在有限动量配对态中，库珀对可以携带非零总动量，使超导序参量在空间中发生周期性变化。配对密度波正是有限动量配对的重要形式之一，其核心特征不仅是超导强度的空间调制，更可能伴随超导序参量的相位符号反转。因此，如何获得相位敏感证据，一直是配对密度波研究中最关键的问题之一。

这一问题的判别并不简单。近期，李东海等人从理论上提出，在非常规超导体中非磁性杂质引起的拆对散射干涉本身也可能导致超导能隙或配对强度的空间调制[Phys. Rev. B 110, 224509 (2024)]。在这种机制中，调制并不需要配对密度波的相位符号反转，而且随着杂质散射增强，调制信号反而可能增强。与之相反，如果调制来自具有相位符号反转的真实配对密度波，非磁性杂质会通过拆对效应破坏这一相位结构，从而抑制配对密度波。因此，可控引入非磁性杂质后，配对调制究竟增强还是被抑制，成为区分两类机制的直接判据。本工作正是抓住这一对立预言，给出了笼目超导体配对密度波的相位敏感实验证据。

图1：配对密度波与其他机制导致的配对/能隙调制的比较

真正的配对密度波具有超导序参量的相位符号调制，而杂质散射干涉等机制可以产生幅度调制，但不具有相位符号反转

笼目晶格由顶点相连的三角形组成，具有几何阻挫和多子晶格结构，是探索非常规电子态的重要平台。近年来，笼目超导体 AV₃Sb₅（A = K, Rb, Cs）因同时具有电荷序、拓扑能带和非常规超导电性，成为研究有限动量配对和配对密度波的代表性体系。围绕这一方向，殷嘉鑫课题组近几年开展了系统研究，在 K、Rb、Cs 三个 AV₃Sb₅ 体系中观察到具有普遍存在性的 2×2 配对调制、手性超导调制、剩余费米弧以及可切换手性配对密度波等现象，并揭示出这些非常规超导特征与笼目超导时间反演对称性破缺之间的密切联系 [Nature 632, 775–781 (2024); Chin. Phys. Lett. 41, 097401 (2024); Phys. Rev. B 113, 125127 (2026); Nat. Mater. 23, 1639–1644 (2024)]。这些工作为进一步检验笼目配对密度波的相位结构奠定了基础。然而，仅观测到空间调制仍不足以直接证明配对密度波最核心的相位符号反转特征；必须进一步检验其对非磁性杂质的响应。

本工作中，研究团队选择 KV₃Sb₅ 作为研究平台，并将等价非磁性元素 Ta 掺入 V 构成的笼目晶格中。Ta 与 V 同族，可以在尽量不显著改变载流子浓度的情况下，引入原子级非磁性杂质。输运和磁化率测量显示，Ta 掺杂后材料的电荷序仅轻微减弱，而超导电性显著增强。扫描隧道显微镜进一步在高偏压形貌图中分辨出 Ta 杂质位置，并在低偏压形貌图中确认 2×2 电荷序仍然存在。研究团队还利用超导 Nb 针尖开展约瑟夫森扫描隧道显微镜测量，探测到局域库珀对密度及其 2×2 空间调制。

图2：Ta 掺杂 KV₃Sb₅ 中的原子级非磁性杂质、电荷序、超导能隙和约瑟夫森配对信号

关键发现来自 Ta 掺杂样品与未掺杂样品的系统对比。约瑟夫森扫描隧道显微镜能够通过超导针尖和超导样品之间的库珀对隧穿，直接探测局域配对电子密度。实验发现，在相近测量条件下，Ta 掺杂样品中的 2×2 配对密度调制峰相比未掺杂样品降低约 65%。为了排除单一测量通道的影响，研究团队进一步使用普通金属针尖开展超高能量分辨率扫描隧道谱测量。通过精确追踪超导相干峰位置，研究团队提取出局域超导能隙调制，并在此前约 1 μeV 空间能量分辨能力的基础上，将原子尺度空间成像条件下的能量分辨能力进一步推进到 0.1 μeV 量级。结果显示，Ta 掺杂样品中的 2×2 超导能隙调制同样被显著抑制，降低幅度约为 66%。两个彼此独立的实验通道得到几乎一致的结果，说明非磁性杂质对 2×2 配对密度波的破坏是稳健的实验现象。

图3：约瑟夫森扫描隧道显微镜和普通扫描隧道谱共同揭示 Ta 非磁性杂质对 2×2 配对密度波的显著抑制

这一结果与简单耦合图像形成鲜明对比。若 2×2 配对调制只是由电荷序和均匀超导简单耦合诱导而来，那么在电荷序保持稳健、均匀超导增强的情况下，配对调制本应增强。然而实验中观测到的是：电荷序稳健、均匀超导增强，但 2×2 配对密度波被强烈抑制。为确认这一现象并非来自其他原因，研究团队结合多种手段进行验证：低能微分电导图、磁化率和 X 射线衍射表明，Ta 掺杂后 2×2 电荷序仍然稳健；ARPES 对比未掺杂和 4% Ta 掺杂 KV₃Sb₅ 的费米面，未发现可分辨的费米面拓扑变化；第一性原理计算进一步说明，Ta 掺杂并未显著改变低能电子结构，并支持电荷序和均匀超导的稳健性。局域扫描隧道谱和 DFT/RPA 计算还表明，Ta 杂质不太可能引入强磁性或诱导磁性。

研究人员进一步在同一原子尺度区域同时获取 Ta 杂质位置和局域配对密度波强度图。通过傅里叶变换和反傅里叶滤波，研究团队提取出 2×2 超导能隙调制的局域振幅，并将其定义为局域配对密度波强度。结果显示，Ta 杂质位置与局域配对密度波强度之间存在负相关关系，说明配对密度波在 Ta 杂质附近具有统计意义上的减弱趋势。这一原子尺度空间关联进一步支持了非磁性杂质局域破坏配对密度波的物理图像。

图4：Ta 杂质位置与局域配对密度波强度图揭示原子尺度 PDW 抑制效应

为了理解非磁性杂质为何能够破坏笼目配对密度波，研究团队进一步结合理论模型进行分析。笼目晶格具有三个子晶格，在与 KV₃Sb₅ 相关的 p 型 van Hove 填充附近，费米面上的不同 M 点主要由不同子晶格贡献。这种子晶格干涉效应能够促进有限动量配对，并在理论上产生 2×2 配对密度波。基于 Abrikosov–Gor’kov 类型理论框架的分析表明，具有相位符号反转的配对密度波会对非磁性散射高度敏感，随着散射强度增加，配对密度波序参量会被持续抑制。这与实验中 Ta 掺杂导致 2×2 配对密度波显著减弱的结果高度一致。

该工作揭示了非磁性杂质拆对效应这一配对密度波的基本量子特征，为笼目超导体中配对密度波的相位符号反转提供了关键的相位敏感实验证据。结合殷嘉鑫课题组此前在笼目超导体中的系列研究，本工作进一步完善了笼目超导体中有限动量配对和配对密度波的实验体系，也为在其他量子材料中识别非常规超导相位结构提供了新的实验范式。

南方科技大学为论文第一完成单位。南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室阎萧宇、刘国威、邓翰宾，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心许锡童，粤港澳大湾区量子科学中心马海洋为论文共同第一作者。粤港澳大湾区量子科学中心秦海浪研究员和南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室殷嘉鑫副教授为论文共同通讯作者。中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心许锡童、赵海天、屈哲开展了样品合成、输运测量和基础物性表征。粤港澳大湾区量子科学中心 赵媛媛、马海洋，美国约翰斯·霍普金斯大学 Junyi Zhang，中国科学院理论物理研究所吴贤新，南京大学王达、王强华，以及德国维尔茨堡大学 Hendrik Hohmann、Matteo Dürrnagel、Ronny Thomale 和瑞士苏黎世联邦理工学院 Matteo Dürrnagel 参与了理论分析。日本东京大学 Yigui Zhong 和 Kozo Okazaki 开展了角分辨光电子能谱实验。北京大学郑希诠、彭莹莹开展了 X 射线实验。瑞士保罗谢尔研究所 Zurab Guguchia 参与了 μSR 相关物理分析。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省量子科学战略专项、广东省自然科学基金等项目支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2604142123