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CaPtAs:具有时间反演对称破缺的新型非常规超导体

编辑: 时间:2020年05月20日 访问次数:0

浙江大学袁辉球/Michael Smidman团队在非中心对称超导和时间反演对称破缺超导方面开展了系统而深入的研究。最近,他们首次在非中心对称化合物CaPtAs中发现超导,并且观察到了非常规超导性质。通过与瑞士保罗谢尔研究所的商恬博士等合作,他们发现该化合物在超导态破坏时间反演对称性,其超导能隙存在节点,现有实验结果与p-波超导相符。

当一个材料的晶体结构缺乏反转中心时,其反对称自旋-轨道耦合会导致能带劈裂,从而产生一些与自旋-轨道耦合相关的新颖物理现象,例如非常规超导和外尔费米子等。在非中心对称超导体中,其超导配对态允许自旋单态和自旋三重态混合,表现出独特的超导性质。理论上还认为,非中心对称超导体是一类潜在的拓扑超导材料。

近年来,袁辉球教授团队与商恬博士【浙大物理系2014届博士毕业生,现在瑞士保罗谢尔研究所从事博士后】合作,比较系统地研究一类新型弱关联非中心对称超导材料。这些材料在超导转变温度以下发生时间反演对称性破缺,但不存在超导能隙节点,表现出许多与常规BCS超导相似的物理性质。越来越多的证据表明,该类超导广泛存在于非中心对称化合物中,但也出现在一些具有中心对称的超导体中,其时间反演对称破缺的物理起源以及超导配对机制仍亟待进一步研究。

最近,袁辉球教授团队成功合成了非中心对称化合物CaPtAs,并且生长出了高质量的单晶样品。CaPtAs是三元碱土金属砷化物中的一员,其四方晶体结构(a=b≠c)中存在三维的网状结构单元,与该系列中其他化合物(如SrPtAs, BaPtAs等)的准二维六角蜂窝层状结构有很大的差别。该团队首次发现,CaPtAs在Tc = 1.5 K发生超导转变,并且表现出非常规的超导性质【图1】。先前的结果发表在《中国科学》英文版【Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 237412 (2020)】。

  

1. CaPtAs的晶体结构与超导转变。

为了进一步揭示CaPtAs的超导配对机制,袁辉球教授团队对该化合物的低温物理性质进行了深入的研究。通过测量低温磁穿透深度(T>50mK),他们发现CaPtAs的磁穿透深度表现出温度平方的幂指数依赖关系(T2),进一步确认了该材料的超导能隙存在节点,其超流密度可以通过s+p超导模型进行拟合【图2】,与台湾成功大学合作者测量的低温比热拟合结果一致【图1c】。此外, 该课题组与瑞士保罗谢尔研究所的商恬博士等合作,测量了CaPtAs在零场下的缪子自旋弛豫(muon-spin relaxation),发现缪子自旋弛豫率在Tc以下显著增加,表明CaPtAs在超导态出现了本征的内磁场,破坏了超导体的时间反演对称性【图3】。

  

图2. CePtAs的磁场穿透深度测量。

上图:低温磁场穿透深度遵循温度平方关系;下图:超流密度可由s+p模型拟合。


  

  

图3. CaPtAs的零场缪子自旋弛豫(ZF-μSR)测量。

 (a) 在超导转变温度上下的时间弛豫谱;(b)洛伦兹弛豫率随温度的变化


这些结果表明,CaPtAs在超导态同时存在时间和空间反演对称性破缺,超导能隙存在节点,表现出p波超导的一些特征,不同于先前研究的其他非中心对称超导材料。在先前的研究中,非中心对称超导体要么存在超导能隙节点,但保留时间反演对称性;要么破坏时间反演对称性,但表现出无能隙节点的BCS超导行为。因此,CaPtAs可能代表一类新颖的非中心对称超导材料,其超导配对机制仍有待进一步研究。该结果最近发表在Physical Review Letter【Phys. Rev. Lett. 124, 207001 (2020)】,并受到期刊编辑的推荐 (Editors’ suggestion)。

近些年来,袁辉球/Michael Smidman/商恬等一直在从事非中心对称超导和时间反演对称破缺超导的研究。基于他们在该领域取得的一系列重要进展,2017年Reports on Progress in Physics邀请他们撰写了一篇关于“非中心对称材料中的超导与自旋轨道耦合”的综述【Rep. Prog. Phys. 80, 036501 (2017),高被引论文】,受到国际同行的广泛关注,成为该领域的一篇代表性著作。最近,英国Journal of Physics: Condensed Matter又邀请该团队成员撰写了一篇关于“时间反演对称破缺超导”的主题综述(Topic review),预印本已在arXiv发布【arXiv: 2003.04357 (2020)】。

该项研究受国家重点研发计划和国家自然科学基金委等项目的资助。


更多详情, 请阅读原文:

W. Xie, P. R. Zhang, B. Shen, W. B. Jiang, G. M. Pang, T. Shang, C. Cao, M. Smidman, and H. Q. Yuan, CaPtAs: A new noncentrosymmetric superconductor, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 237412 (2020).  https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-019-1488-5

T. Shang, M. Smidman, A. Wang, L.-J. Chang, C. Baines, M.K. Lee, Z.Y. Nie, G.M. Pang, W. Xie, W.B. Jiang, M. Shi, M. Medarde, T. Shiroka, and H.Q. Yuan, Simultaneous nodal superconductivity and time-reversal Symmetry Breaking in the noncentrosymmetric superconductor CaPtAs, Phys. Rev. Lett. 124, 207001 (2020).  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.207001


S. Smidman, M. B. Salamon, H. Q. Yuan and D. F. AgterbergSuperconductivity and spin–orbit coupling in non-centrosymmetric materials: a review, Rep. Prog. Phys. 80, 036501 (2017).  https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/80/3/036501

T. K. Ghosh, M. Smidman, T. Shang, J. F. Annett, A. Hillier, J. Quintanilla, and H. Q. Yuan,Recent progress on superconductors with time-reversal symmetry breaking, arXiv: 2003.04357 (2020).  https://arxiv.org/abs/2003.04357