刷新电子谱学空间能量分辨率，磁性超导获新突破
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8月21日，南方科技大学（简称“南科大”）物理系副教授殷嘉鑫团队带领一支由中国、瑞士、德国和新加坡学者组成的国际团队在《自然》发表研究成果。
研究团队在南科大量子奇点与演生物质实验室中观测到了手性笼目超导振荡，将电子谱学空间能量分辨率提升至1微电子伏特量级，刷新了此前由美国康奈尔大学美国国家科学院院士Seamus Davis课题组在2023年创造的10微电子福特量级的世界纪录。达到如此高的分辨率需要同时做到极低电子温度（90毫开尔文）、超高空间分辨率（0.1埃）以及超隧微分电导高信噪比（300倍），展示了研究人员精湛的实验技艺。
磁性与超导一般被认为是两种互斥的量子态。2022年，殷嘉鑫团队搭建了极低温超高能量分辨率的扫描隧道显微镜系统，采用潘氏马达技术路线，探索对笼目磁体进行量子调控以实现超导态以及对已知的笼目超导体进行高分辨率的谱学表征，探究其可存在的时间反演对称性破缺性质。
该研究中，殷嘉鑫团队在笼目超导体KV3Sb5和CsV3Sb5中观测到的手性超导能隙振荡，振荡周期为2×2；在动量空间中2×2的三组散射峰强度不同，由弱到强的旋转方向可以定义出超导能隙震荡的手性。通过实验发现，超导能隙振荡的手性可以被施加的外磁场调控成顺时针或逆时针旋转。进一步地，研究团队用超导针尖实现了超导约瑟夫森隧道结来探测局域配对电子密度，并观测配对电子密度为2×2的手性振荡。
这一研究指出，研究团队得出笼目超导体的手性配对密度波破坏了时间反演对称性，其散射周期被确定为与体态电荷序吻合的2×2，厘清了学术界在配对密度波波矢上的争议。
此前，殷嘉鑫团队在《物理学报》撰写的评论文章指出，在配对密度波存在的情况下，超导能隙只在动量空间的部分费米面打开，而系统中可以存在残留的费米面作为波戈留波夫费米面，并与能隙的振荡形成严格的实空间-动量空间对应关系。这层对应关系可以为有限动量电子配对提供证据链。
基于这一思路，研究人员系统测量了不同温度下的准粒子散射谱，用以探测费米面的形状。他们发现在远低于超导转变的温度下，系统依然保留有费米弧，这为波戈留波夫费米面的存在提供了证据。
殷嘉鑫团队还通过建立超导序参量的振荡与波戈留波夫费米面在几何上的联系，揭示了笼目超导体基态的非常规特性：空间均一的超导主要发生在Sb的p轨道上，而非V的d轨道，这种特殊的p-d轨道混合的手性配对密度波，为理解磁性超导提供了新的理论框架。此外，研究过程中的观测和分析为有限动量配对的磁性超导态提供了完整的证据链。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07798-y
笼目超导体内手性超导振荡示意图 研究团队供图
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