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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

自旋三重态拓扑超导体应该表现出许多前所未有的电子特性，包括与量子信息处理相关的分数化电子态。虽然UTe₂可能具有这种体拓扑超导性，但其超导序参量Δ(k)仍是未知的。在这种重费米子物质中，Δ(k)的许多不同形式在物理上是可能的。此外，自旋(SDW)、电荷(CDW)和配对(PDW)的密度波可以相互交织在一起，PDW表现出空间调制的特性，其中超导序参量Δ(r)、电子对密度和配对能隙。

有鉴于此，康奈尔大学Xiaolong Liu等人利用超导扫描隧道显微镜(STM)的针尖可视化了μev尺度能量分辨率的配对能隙。作者检测到三个PDWs，每个PDW的峰对峰间隙调制约为10 μeV，并且在不相称的波向量P_i=1,2,3上与之前的CDW的波向量Q_i=1,2,3无法区分。UTe₂超导PDWs和非超导CDWs的并行可视化表明，每个P_i:Q_i对都有一个相对的空间相位δϕ≈π。根据这些观察，并将UTe₂作为自旋三重态超导体，这种PDW态应该是自旋三重态PDW。虽然这种状态在超流体³He中确实存在，但对于超导体来说，这是前所未有的。

PDW可视化

一般来说，PDW态是超导体，但具有空间调制的超导序参量。为了探索物理的UTe₂，首先需要同时可视化任何共存的CDW和PDW状态。最近的实验进展已经证明了两种可视化PDW状态的技术，可以通过正常-绝缘体-超导体(NIS)隧穿或超导-绝缘体-超导体(SIS)隧穿来可视化。

UTe₂正常状态下CDW的可视化

UTe₂晶体通常分裂以显示(0-11)表面，在温度T = 4.2 K时，使用STM对该表面进行可视化，通过可视化这些表面的状态g(r, E)的电子密度发现了CDW状态。为了模拟这一点，在T = 4.2 K时使用等效切割表面上的非超导尖端测量了−25 mV < V < 25 mV的g(r, V)，最大值的反傅里叶滤波只显示了UTe₂的不相称CDW状态。

图  UTe₂的动量空间和实空间特性

NIS间隙边缘的正尖PDW检测

由于发现CDW对磁场表现出不同寻常的依赖性，并且由此假设该材料中可能存在PDW，作者考虑通过可视化其能量间隙中的空间调制来直接检测UTe₂中的PDW。尽管UTe₂中三个PDW状态的证据令人鼓舞，但由于相干峰较浅，其弱信噪比意味着传统的dI/dV∣_NIS光谱不足以精确应用该材料中相关方程。

图  UTe₂正常状态CDW可视化

超导尖端PDW检测

通过从具有高锐电导峰的尖端使用SIS隧道，可以大大提高准粒子的能量分辨率，dI/dV∣_NIS中最大值的幅度和锐度有了较大的增强。出现配对峰的能量的周期性变化是明显的，直接表明E₊(r)和E₋(r)是周期性调制的，但能量方向相反，超导能隙调制完全是粒子-空穴对称的。

图  超导能隙的原子分辨率成像

可视化PDW和CDW的相互作用

作者在T=4.2 K的非超导状态下可视化CDW，然后冷却到T=280 mK，并在完全相同的视场下可视化PDW。CDW和PDW图像以27 pm的精度配准到底层晶格和彼此。UTe₂的CDW和PDW状态在空间上是不同的，然而，它们实际上是在空间中相关的，是彼此的近似负图像。

图  可视化UTe₂的PDW状态

参考文献：

Gu, Q., Carroll, J.P., Wang, S. et al. Detection of a pair density wave state in UTe2. Nature 618, 921–927 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05919-7

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06005-8