研究背景
Sr2RuO4是具有層狀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型氧化物材料，首次在1994年報(bào)道了其超導(dǎo)性。與傳統(tǒng)的高溫超導(dǎo)材料如銅氧化物相比，Sr2RuO4作為一種非常規(guī)超導(dǎo)體，其具有獨(dú)特的超導(dǎo)對稱性和強(qiáng)電子相關(guān)性，成為量子材料中的典型代表之一。特別是它的超導(dǎo)性與自旋三重態(tài)配對的假設(shè)密切相關(guān)，這一假設(shè)曾被認(rèn)為可能為超導(dǎo)體提供既能傳導(dǎo)電流又能傳導(dǎo)自旋的超電流。然而，盡管進(jìn)行了大量的研究，這一假設(shè)至今仍未獲得最終確認(rèn)，且Sr2RuO4的超導(dǎo)對稱性至今仍處于爭議之中。與傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料相比，Sr2RuO4具有強(qiáng)烈的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)和中等的自旋軌道耦合，這使得它的超導(dǎo)性非常獨(dú)特。它的常態(tài)表現(xiàn)出典型的費(fèi)米液體行為，而與其他非傳統(tǒng)超導(dǎo)體如銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體的常態(tài)相比，具有顯著不同的特性。Sr2RuO4的超導(dǎo)性非常依賴于樣品的質(zhì)量，最佳單晶樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)為1.5K，這也加大了研究中的不確定性。為了解決這一問題，日本京都大學(xué)Y. Maeno, A. Ikeda & G. Mattoni三個(gè)學(xué)者在“Nature Physics”期刊上發(fā)表了題為“Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)針對Sr2RuO4的超導(dǎo)性問題，開展了深入的實(shí)驗(yàn)和理論研究，設(shè)計(jì)或制備了高質(zhì)量的Sr2RuO4單晶。通過精確的角分辨光電子能譜（ARPES）和核磁共振（NMR）等實(shí)驗(yàn)手段，研究團(tuán)隊(duì)深入探討了其超導(dǎo)配對的自旋狀態(tài)和對稱性。 通過降低NMR實(shí)驗(yàn)中的脈沖能量，團(tuán)隊(duì)成功避免了由于樣品過熱引發(fā)的偽結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)了Sr2RuO4在超導(dǎo)狀態(tài)下的自旋配對為自旋單重態(tài)，而非此前推測的自旋三重態(tài)配對。該發(fā)現(xiàn)對解決長時(shí)間存在的自旋三重態(tài)配對假設(shè)提出了挑戰(zhàn)，并為超導(dǎo)對稱性研究提供了新的視角。此外，通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究人員還探討了是否存在水平節(jié)點(diǎn)，并且超導(dǎo)能隙的維度是1D還是2D的問題，為最終解決Sr2RuO4的超導(dǎo)對稱性問題奠定了基礎(chǔ)。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)Sr2RuO4具有超導(dǎo)性，并且其超導(dǎo)臨界溫度Tc為1.5K，取決于樣品的質(zhì)量。研究表明，Sr2RuO4的超導(dǎo)性與強(qiáng)烈的電子關(guān)聯(lián)和非常敏感的非磁性雜質(zhì)相關(guān)，因此它被視為典型的量子材料。2. 實(shí)驗(yàn)通過角分辨光電子能譜（ARPES）等先進(jìn)技術(shù)，準(zhǔn)確表征了Sr2RuO4的準(zhǔn)二維電子結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，Sr2RuO4的正常態(tài)展現(xiàn)出典型的費(fèi)米液體性質(zhì)，這與銅氧化物、鐵基超導(dǎo)體等其他非常規(guī)超導(dǎo)體的異常正常態(tài)性質(zhì)有所不同。這些發(fā)現(xiàn)支持了對Sr2RuO4基本超導(dǎo)特性完整理解的可能性。3. 然而，關(guān)于Sr2RuO4超導(dǎo)對稱性的爭議仍未解決。盡管先前的研究曾提出自旋三重態(tài)超導(dǎo)的假設(shè)，但近年來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如核磁共振（NMR）和極化中子散射實(shí)驗(yàn)，推翻了這一觀點(diǎn)，表明其超導(dǎo)對稱性可能為自旋單重態(tài)。特別是NMR實(shí)驗(yàn)中，低能量脈沖的使用證明了樣品過熱效應(yīng)的存在，并為正確定義自旋狀態(tài)提供了新的實(shí)驗(yàn)條件。4. 目前，關(guān)于Sr2RuO4是否破缺時(shí)間反演對稱性（TRS）以及是否存在橫向節(jié)點(diǎn)的爭論依然激烈。這些爭議導(dǎo)致學(xué)界對于Sr2RuO4的超導(dǎo)對稱性仍未達(dá)成共識。因此，未來的研究需進(jìn)一步解決這些關(guān)鍵問題，以最終確定其超導(dǎo)機(jī)制和對稱性。
圖文解讀
圖1: 利用區(qū)熔法floating-zone的Sr2RuO4晶體生長。
總結(jié)展望
本文選出了幾種有希望的Sr2RuO4超導(dǎo)態(tài)候選。這些候選按D4h點(diǎn)對稱性下允許的不可約表示進(jìn)行分類，且不考慮晶格畸變。除了B1g d波態(tài)，這種超導(dǎo)態(tài)可能在四方晶格中形成超導(dǎo)域。Eg候選進(jìn)一步分為兩種類型。一種是傳統(tǒng)的非常規(guī)配對，例如具有間隙各向異性Δ(k) = Δ0 kz (kx + iky)的手性d波態(tài)，另一種是奇異的軌道間配對。μSR的結(jié)果支持TRS破缺的二維Eg候選和雙成分一維序參量。剪切超聲的結(jié)果進(jìn)一步支持TRS保持的nematic Eg候選。如果不存在額外的水平線節(jié)點(diǎn)，可能的態(tài)為B1g，帶有間隙函數(shù)。如果是這種情況，TRS保持不變，在單軸應(yīng)變下沒有第二次轉(zhuǎn)變，需要重新解釋場角分辨的比熱，且超導(dǎo)域不形成。 Sr2RuO4超導(dǎo)性的30年歷史教會了我們，徹底理解一個(gè)非常規(guī)超導(dǎo)體是多么具有挑戰(zhàn)性。我們不止一次看到，雖然某些不可或缺的技術(shù)在專家中能夠給出可重復(fù)的結(jié)果，但仍需進(jìn)行修正。在這方面，Sr2RuO4隨著現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學(xué)的進(jìn)步而不斷發(fā)展。正如漫畫所示，科學(xué)界可能仍然需要放棄一些傳統(tǒng)的認(rèn)識，才能最終解開Sr2RuO4的謎團(tuán)，全面揭開真相之門。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
