JP研究最新进展

JP研究最新进展12:Science | 证实预言中的FFLO超导态

2022422日,京都大学石田憲二(Kenji Ishida)教授课题组在专业杂志Science上在线发表了题为 Superconducting spin smecticity evidencing the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in Sr2RuO4」的科技论文,该研究在Sr2RuO4材料中首次发现了FFLO超导的证据。虽然FFLO超导态早在60年前就被提出,然而,此前FFLO超导体从未被鉴定过。

DOI: 10.1126/science.abb0332

01研究亮点

  1. 使用基于Sr2RuO4的单晶材料,实现FFLO超导体的鉴定

  1. 通过核磁振动法创建了Sr2RuO4中的 FFLO超导相图

02研究概要

【背景】

超导性的发现已有 110 多年的历史,关于其基本性质的新发现仍在继续。此外,它的基本特性已应用于量子计算机,是有望成为下一代产业基础的重要物理现象。在发现超导近50年后,Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 发表了 BCS(Bardeen–Cooper–Schrieffer)理论,该理论以其电阻的消失、迈斯纳效应和超导间隙的存在而闻名。它解释了几乎所有的传导现象和作为超导的标准理论。该 BCS 理论假设由两个电子组成的一对状态,该状态没有自旋或动量(BCS 超导状态)。这被认为对于迄今为止发现的几乎所有超导体都是正确的。 然而,1964 年 Fulde 和Ferrell 以及 1965 年 Larkin 和 Ovchinnikov 分别预测了两个电子的动量不为零的超导状态(FFLO 超导状态)。正常情况下,超导在磁场中消失了,但在 FFLO 超导状态下它们在能量上是有利可图的。因此,作者指出超导性可以承受高磁场。此时,由于超导具有非零动量,以驻波为特征的超导间隙发生空间振动,产生空间调制的超导状态。虽然这种新颖的超导状态是被预言的,尽管许多研究人员经过长期的探索,已经报道了作为 FFLO 超导候选的超导体,但目前为止它们没有被的鉴定。

【结果与讨论】

本课题组在将层状氧化钌超导体Sr2RuO4的O置换为能够进行核磁共振(NMR)的同位素17O核的纯单晶中施加与层平行的磁场,进行了NMR测定。从超导性被部分破坏的自旋极化空间分布看出,超导性空间分布是FFLO超导状态的特征。冈山大学的 Ichioka 和 Machida 教授(当时所属)的理论研究表明,这种状态下的NMR光谱显示出特征形状(双喇叭型)。本课题组在超导临界磁场(Hc2)附近的磁场区域对17O原子核进行了详细的核磁共振实验,阐明了在有限的磁场-温度区域可以看到这种特征核磁共振谱,具有分布的超导状态。基于该核磁共振的结果,研究小组创建了Sr2RuO4中的 FFLO超导相图。结果表明,在Sr2RuO4中,在约 1.3T 的低磁场中实现了FFLO超导状态 (Fig. 2)。

【未来计划】

之前的 FFLO超导候选材料已从超过10 T的高磁场实验中得到报道,但Sr2RuO4FFLO状态是在低至1.3 T的磁场下实现的,这几乎低了一个数量级。因此,可以进行各种测量,例如使用扫描显微镜进行真实空间成像以阐明FFLO超导状态。Sr2RuO4为研究FFLO超导态提供了一个最佳的研究阶段,预计未来FFLO超导态的研究将取得巨大进展。

 

本研究由京都大学和宾夕法尼亚州立大学共同合作完成;第一作者为金城克樹(K. Kinjo)硕士二年生,通讯作者为k. Kinjo和石田憲二(kenji Ishida)教授。本文受到日本学術振興会科学研究費補助金(JP15H05852, JP15K21717, JP17H06136, JP20H00130, JP15K21732, JP15H05745, JP20KK0061, JP19H04696, JP19K14657, JP20H05158)、 和「研究拠点形成 事業」(JPJSCCA20170002)的研費经费支持。

 03作者介绍

 石田憲二(Kenji Ishida)教授,隶属于京都大学理学研究科教授。Ishida教授致力于低温物性领域和超导材料开发的基础研究,是研究强相关电子系物质领域的知名学者。在NatureSciencePhysical Review系列 等国际知名科学杂志发表研究型论文300余篇。其研究成果被引用15000余次,其中单篇最高引用数达1100余次,h指数为62


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