凝聚態(tài)物理學(xué)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(dǎo)相變通常與規(guī)范對稱性破缺相關(guān)，而其他類型對稱性破缺的出現(xiàn)，往往會誘導(dǎo)一些非常規(guī)超導(dǎo)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(xué)的研究團隊與日本東京大學(xué)，中科院物理所，浙江工業(yè)大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)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(dǎo)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(dǎo)電性被抑制后依舊存在，并且一直持續(xù)到表面超導(dǎo)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(dǎo)。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(dǎo)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(dǎo)電性可能來源于PbTaSe2的拓撲表面態(tài)超導(dǎo)。這些發(fā)現(xiàn)，為揭示向列超導(dǎo)電性與非平庸拓撲性質(zhì)的關(guān)系提供了新的視角。

諸如銅氧化物超導(dǎo)材料，鐵基超導(dǎo)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(dǎo)體因為其在拓撲量子計算中的應(yīng)用前景而吸引了眾多研究者的注意力。其中，拓撲超導(dǎo)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(dǎo)電性緊密相關(guān)。因此，在其他拓撲超導(dǎo)候選材料中尋找向列性超導(dǎo)尤為重要，它將有助于進一步研究向列性超導(dǎo)與能帶非平庸拓撲性質(zhì)的關(guān)系。 人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)非中心對稱超導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)電性在比熱對應(yīng)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(dǎo)很可能只與拓撲表面態(tài)超導(dǎo)有關(guān)。

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)磁場沿著平行于Se-Se （Pb-Pb）的晶軸時，超導(dǎo)信號被平面內(nèi)的磁場顯著減弱了，點接觸電導(dǎo)曲線G（V）的電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)。

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(dǎo)可能與體態(tài)超導(dǎo)無關(guān)，僅僅起源于超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)。

來自PbTaSe2表面的向列性超導(dǎo)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(dǎo)與拓撲超導(dǎo)關(guān)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(dǎo)后可能的庫伯對配對對稱性，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)A1和E超導(dǎo)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(dǎo)。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(xué)基金（11674279， U1732162， 11974061， 11774306， 11374257）、浙江省杰出青年基金（LR18A04001）和中科院先導(dǎo)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(zé)任編輯:pj