研究30年的超导材料，再登Nature Physics！
学术
2024-11-18 09:14
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研究背景
Sr2RuO4是具有层状结构的钙钛矿型氧化物材料，首次在1994年报道了其超导性。与传统的高温超导材料如铜氧化物相比，Sr2RuO4作为一种非常规超导体，其具有独特的超导对称性和强电子相关性，成为量子材料中的典型代表之一。特别是它的超导性与自旋三重态配对的假设密切相关，这一假设曾被认为可能为超导体提供既能传导电流又能传导自旋的超电流。然而，尽管进行了大量的研究，这一假设至今仍未获得最终确认，且Sr2RuO4的超导对称性至今仍处于争议之中。与传统的超导材料相比，Sr2RuO4具有强烈的电子关联效应和中等的自旋轨道耦合，这使得它的超导性非常独特。它的常态表现出典型的费米液体行为，而与其他非传统超导体如铜氧化物和铁基超导体的常态相比，具有显著不同的特性。Sr2RuO4的超导性非常依赖于样品的质量，最佳单晶样品的超导转变温度(Tc)为1.5K，这也加大了研究中的不确定性。为了解决这一问题，日本京都大学Y. Maeno, A. Ikeda & G. Mattoni三个学者在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4”的最新论文。该团队针对Sr2RuO4的超导性问题，开展了深入的实验和理论研究，设计或制备了高质量的Sr2RuO4单晶。通过精确的角分辨光电子能谱（ARPES）和核磁共振（NMR）等实验手段，研究团队深入探讨了其超导配对的自旋状态和对称性。 通过降低NMR实验中的脉冲能量，团队成功避免了由于样品过热引发的伪结果，进一步确认了Sr2RuO4在超导状态下的自旋配对为自旋单重态，而非此前推测的自旋三重态配对。该发现对解决长时间存在的自旋三重态配对假设提出了挑战，并为超导对称性研究提供了新的视角。此外，通过进一步的实验结果，研究人员还探讨了是否存在水平节点，并且超导能隙的维度是1D还是2D的问题，为最终解决Sr2RuO4的超导对称性问题奠定了基础。研究亮点
1. 实验首次发现Sr2RuO4具有超导性，并且其超导临界温度Tc为1.5K，取决于样品的质量。研究表明，Sr2RuO4的超导性与强烈的电子关联和非常敏感的非磁性杂质相关，因此它被视为典型的量子材料。2. 实验通过角分辨光电子能谱（ARPES）等先进技术，准确表征了Sr2RuO4的准二维电子结构。研究发现，Sr2RuO4的正常态展现出典型的费米液体性质，这与铜氧化物、铁基超导体等其他非常规超导体的异常正常态性质有所不同。这些发现支持了对Sr2RuO4基本超导特性完整理解的可能性。3. 然而，关于Sr2RuO4超导对称性的争议仍未解决。尽管先前的研究曾提出自旋三重态超导的假设，但近年来的实验结果，如核磁共振（NMR）和极化中子散射实验，推翻了这一观点，表明其超导对称性可能为自旋单重态。特别是NMR实验中，低能量脉冲的使用证明了样品过热效应的存在，并为正确定义自旋状态提供了新的实验条件。4. 目前，关于Sr2RuO4是否破缺时间反演对称性（TRS）以及是否存在横向节点的争论依然激烈。这些争议导致学界对于Sr2RuO4的超导对称性仍未达成共识。因此，未来的研究需进一步解决这些关键问题，以最终确定其超导机制和对称性。图文解读
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图1: 利用区熔法floating-zone的Sr2RuO4晶体生长。![]()
图3:Sr2RuO4的轨道间配对状态。总结展望
本文选出了几种有希望的Sr2RuO4超导态候选。这些候选按D4h点对称性下允许的不可约表示进行分类，且不考虑晶格畸变。除了B1g d波态，这种超导态可能在四方晶格中形成超导域。Eg候选进一步分为两种类型。一种是传统的非常规配对，例如具有间隙各向异性Δ(k) = Δ0 kz (kx + iky)的手性d波态，另一种是奇异的轨道间配对。μSR的结果支持TRS破缺的二维Eg候选和双成分一维序参量。剪切超声的结果进一步支持TRS保持的nematic Eg候选。如果不存在额外的水平线节点，可能的态为B1g，带有间隙函数。如果是这种情况，TRS保持不变，在单轴应变下没有第二次转变，需要重新解释场角分辨的比热，且超导域不形成。 Sr2RuO4超导性的30年历史教会了我们，彻底理解一个非常规超导体是多么具有挑战性。我们不止一次看到，虽然某些不可或缺的技术在专家中能够给出可重复的结果，但仍需进行修正。在这方面，Sr2RuO4随着现代凝聚态物理学的进步而不断发展。正如漫画所示，科学界可能仍然需要放弃一些传统的认识，才能最终解开Sr2RuO4的谜团，全面揭开真相之门。Maeno, Y., Ikeda, A. & Mattoni, G. Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4. Nat. Phys. 20, 1712–1718 (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02656-0 纳米人学术QQ交流群
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