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原创丨百年孤寂（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

超导现象是指电阻率在临界温度以下突然消失。1911年科学家在固体汞中发现的超导性直到1957年仍然是一个无法解开的谜团，当时物理学家Bardeen、Cooper和Schrieffer提出了解释这一现象的理论 。根据 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理论，当电子形成对以允许电流以零电阻流动的方式时，就会出现超导性。然后，在1964年，Fulde和Ferrell以及 Larkin 和 Ovchinnikov指出，在存在磁场的情况下，可能会形成不同类型的超导电子对。然而，尽管科学人员进行了激烈的探索，但事实证明很难找到这种Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO)超导状态的直接证据。

有鉴于此，日本京都大学K. Ishida和K. Kinjo等人报告了在层状钙钛矿Sr2RuO4中观察到FFLO驱动的自旋密度调制。他们的研究结果表明存在不均匀超导性，这是FFLO状态的标志，并且可以提供探索超导多样性的替代途径。其特殊之处在于必须首先讨论标准情况，特性可以用BCS框架解释的超导体称为“常规超导体”。当这些材料中出现超导性时，电子对通过称为自旋单重态配对的机制由相反自旋电子组成。此外，电子对不携带动量，使超导状态均匀分布。在传统的超导体中，外部磁场的存在会使电子对不稳定，因为自旋平行和反平行于磁场的电子获得不同的能量。如果由此产生的能量差（称为塞曼分裂）足够大，则磁场可以使电子不成对，并且材料将恢复其正常的非超导状态。然而，在某些条件下，超导状态可以在这种情况下保留下来。电子可以形成一种不寻常的电子对，携带非零动量（见图）。这种类型的配对创建了FFLO状态，其特征在于由配对的动量引起的空间调制。然而，FFLO状态很难在材料中诱导和观察，因为它很容易不稳定。如果超导体处于清除极限状态下，即电子可以移动而不会被散射足够长的距离，那么它的实现过程就是有利的。对于 FFLO状态的出现更重要的是，塞曼分裂必须是主要机制，否则会破坏材料中的超导性。然而，在大多数超导体中，其他成对断裂机制更强。

图1.具有非零动量的电子对

由于对塞曼分裂的敏感性，具有重载流子的二维系统是探索FFLO状态的良好候选者。目前科研人员已在层状重费米子和某些二维有机材料中报道了FFLO状态的特征。考虑到这些因素，Kinjo等人研究了层状钙钛矿Sr2RuO4。其具有FFLO系统的基本特性：它处于清除极限，同时是分层的，并且具有较大有效质量的电荷载流子。然而，长期以来，Sr2RuO4被认为是手性自旋三重态超导体，因此是一种不能拥有FFLO状态的系统。这是因为自旋三重态超导体具有自旋指向相同方向的电子对，因此，塞曼分裂不会破坏它们。

Sr2RuO4是实现自旋三重态超导（一种非常罕见的现象）状态的研究热点。但是，随着时间的推移，很明显并非所有对Sr2RuO4的实验观察结果都与手性自旋三重态描述一致。在越来越多的无法解释的观察结果中，随着磁场的增加，有一个从超导到正常状态的不连续转变。在自旋单线态超导体中，这种行为可以通过塞曼分裂来解释。然而，这样的解释与公认的手性自旋三重态图相矛盾。最初，已有的系统的测量并没有质疑既定观点，而是促使人们寻找这些不一致的替代解释，同时保留手性自旋三重态解释。然而，共识在过去几年开始转变，当时收集了更明确的反对手性自旋三重态图像的证据。这种范式变化还暗示塞曼分裂确实可以破坏电子对，因此该阶段可能是FFLO状态的理想选择。

在层状钙钛矿Sr2RuO4中发现可能的FFLO状态为对难以捉摸的超导状态进行更深入的研究铺平了道路。Kinjo等人提出的证据极具说服力，但仍然是间接的。我们仍然需要确凿的证据来实现对超导有序参数的空间调制的直接测量。目前，Sr2RuO4已被证明是一个比较完美的模型系统。它可能不是手性自旋三重态超导体，但它在FFLO驱动的自旋密度调制的探索方面是独一无二的存在。

文献信息：

Eva Pavarini. Superconductors gain momentum Science, 2022, 376, 350-351

DOI: 10.1126/science.abn3794

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn3794