科学家通过拉伸量子材料,揭示相互竞争的超导态

技术研究 QuantumWire 2026-10-09 15:43
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2026年10月7日——非常规超导体可以承载不寻常的电子态,但当不同形式的序共存时,理解是什么驱动其超导性就变得困难。kagome 金属 CsV3Sb5 已成为一个尤其受争议的例子。它在约 94 K 时发展出电荷密度波序,然后在约 2.5 K 时变为超导,但实验对其超导能隙是常规的还是包含节点给出了相互矛盾的观点。解决这个问题很重要,因为了解超导如何形成可以指导寻找更好的超导材料。

为解决这一挑战,日本冈山大学物理系副教授 Shinji Kawasaki 领导、教授 Guo-qing Zheng 参与的研究团队,利用原位单轴应变和核四极共振测量研究了 CsV3Sb5。高质量单晶使用定制压电驱动应变单元沿一个晶体学方向施加应变,同时研究人员监测超导转变和局域电子性质。该研究于2026年8月28日发表在期刊 Physical Review Letters 第137卷第9期上。

团队发现,拉伸晶体而非压缩晶体,显著提高了超导转变温度。在零应变下,转变约从 3.0 K 开始,而 +0.90% 的拉伸应变将其提高到 3.6 K。值得注意的是,电荷密度波在应变下基本保持不变,表明超导性可以独立于材料已有电荷序进行调控。这种解耦为研究人员分别研究这两种现象提供了新途径。

对超导态的更仔细观察揭示了更引人注目的结果。在最大拉伸应变下,该材料经历了两次超导转变。第一次发生在 3.6 K,与有节点超导态相关,而第二次转变出现在 3.0 K,显示出无节点态。研究结果表明,在环境条件下几乎简并的两种不同超导态,在施加应变时可以分离,这有助于解释为什么此前的实验对该材料的超导性质得出了不同结论。

“多年来,对 CsV3Sb5的不同测量结果似乎指向不同的超导态,” Kawasaki 教授说。“我们的结果表明,这些态可以共存,并且单轴应变可以将它们分开,为我们提供了一种直接研究每个态的方法。” 研究人员进一步发现,非常规有节点组分在拉伸应变下变得强得多,从零应变时相对较小的 10% 贡献增加到 +0.90% 应变时的约 26%。

“应变在这个材料中为我们提供了一个独立的控制旋钮——它增强了超导性,却不改变体电荷密度波,” Kawasaki 教授说。这一区别很重要,因为静水压主要通过其对电荷序的影响来改变超导性。相反,这些结果表明,单轴应变可以选择性增强一个超导配对通道,同时使竞争背景态保持稳健。因此,这种方法可能不仅适用于 CsV3Sb5,还为在其他非常规超导体中分离超导性与竞争序(如电荷密度波或自旋密度波)提供了一种通用策略,包括铁基和重费米子体系。

总体而言,这项研究通过展示两种竞争配对态——无节点态和有节点态——的证据,解决了围绕 CsV3Sb5 超导性的长期争论中的一个重要问题。尽管 CsV3Sb5 本身的转变温度太低,无法实际应用,但该实验策略为理解和调控量子材料提供了更广阔的途径。这些知识最终可能支持开发用于无损电力传输、医疗和工业磁体以及量子计算技术的更高温度超导体。