自旋三重態超導體是具有自旋1和奇宇稱波函數的電子對的凝聚體。三重態配對的一個有趣表現是手性p波態，它在拓撲上是非平庸的，為實現馬約拉納邊緣模態提供了一個天然的平臺。然而，三重態配對在固態系統中很少見，到目前為止還沒有在任何塊狀化合物中明確地識別出來。考慮到配對通常是由鐵磁自旋漲落來調節的，含f-電子的鈾基重費米子系統被認為是實現自旋三重態超導性的理想候選系統。近日，伊利諾斯大學香檳分校Vidya Madhavan等研究者展示了最近發現的重費米超導體UTe2的掃描隧道顯微鏡研究，它的超導轉變溫度為1.6開爾文。相關論文以題為「Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe2」發表在Nature上。
自旋三重態對是非常規超導的一個引人入勝的例子。在自旋三重態配對中，庫珀對具有有限的角動量和相等的自旋。在手性p波超導體的特定情況下，理論預測了手性狄拉克準粒子在系統特定邊界處的存在。手性自旋三重態對最著名的例子是超流體3He A 相，在過去的幾十年裡，人們一直在固態系統中尋找潛在的自旋三重態超導體。基於鈾的重費米子化合物，如UPt3、UGe2、URhGe和UCoGe，由於磁性和超導性的共存對於實現自旋三重態很有希望。然而，由於極低的超導轉變溫度Tsc或需高壓的超導相，限制了這些鈾基系統的研究。最近，在重-費米化合物UTe2中發現了轉變溫度為Tsc = 1.6 K的超導性。眾多實驗觀察間接表明在重-費米化合物UTe2中自選三重態對的存在。
1. 研究者在UTe2中發現了近藤效應和超導性共存的特徵，表明在一個單元細胞內存在相互競爭的空間調節。
2. 在階躍邊緣的掃描隧道光譜揭示了手性間隙態的特徵，證實了早期提出的手性間隙態存在於拓撲超導體邊界的預測。
3. 結合現有的有關UTe2中三重態配對的數據，手性態的存在表明UTe2是手性三重態拓撲超導性的有力候選者。
掃描隧道顯微鏡/光譜學(STM/STS)對UTe2的研究UTe2是一個具有空間群為Immm斜方晶體結構。在考慮了U和兩個Te原子之間的鍵長之後(圖1a)，研究者確定了一個潛在的易劈裂面(011)面，它是由沿著[100]方向(a軸)的Te1、Te2和U原子鏈組成的。圖1b中，STM形貌圖中可以看到Te2和Te1鏈。圖1c顯示了在乾淨表面上得到的平均dI/dV(其中I為隧道電流，V為偏置電壓)譜。除了在局部態密度(LDOS)中延伸到幾百毫電子伏特的整體V形外，還觀察到具有典型的Fano線形的低能特性，這是首次在關於單個近藤雜質的STM數據中觀察到的。
如圖1d所示，當放大到1mev的能量範圍時，觀察到對稱相干峰位於±0.25 meV左右的LDOS的抑制。這一特徵是與超導間隙的關聯，因為它在溫度和磁場增加時被抑制，而在塊狀Tsc時消失(圖1d)，並且接近上臨界場時(Hc2)。然而，隧穿電導在Ef時並沒有像完全間隙超導體那樣趨近於零，相反，表現出大密度的無間隙激發。用超導探針獲得譜也證實了大量剩餘的態密度，其可能來自未配對電子的本底密度和/或來自超導隙內的低能準粒子激發。
圖1 UTe2的晶體結構和光譜特性
各種相互作用的表徵 與其他鈾基超導體不同，UTe2表現出順磁性基態，同時具有強鐵磁漲落和近藤耦合。圖2d, e分別顯示了近藤共振和超導間隙能量範圍內從Te1到Te2的表面橫切線。發現，近藤晶格峰和超導隙都表現出單位胞內的實空間調製。在6 mv和0 mv下的dI/dV映射(圖2b, c)，證實了這些周期性調製是該系統的一個普遍特徵。對比圖2a, b, c可知，LDOS在6 mv和0 mv處的調製波矢量被鎖定在一維Te鏈的原子結構上，研究者認為認為近藤共振峰的高度和超導隙的深度是反關聯的。
為了進一步表徵近藤共振的行為，研究者用Fano線形擬合峰傾角特徵：。擬合結果顯示，從Te1點到Te2點，Γ和|qk|是單調變化的。而這在URu2Si2中也觀察到類似的近藤共振的空間調製，並被認為與未解之謎的「隱藏相位」有關。
圖2 近藤共振和超導的單元內空間調製
UTe2中超導序參量的性質 如圖3d, e，在沿a軸的單步邊緣測量的dI/dV顯示了一個不尋常的非對稱線形狀(圖3 g, h)：峰值傾角明顯地表現出預期的波戈留博夫準粒子的粒子-空穴對稱性破缺的特徵。正如圖3g，h所示，超導間隙內出現了不對稱峰，無論是EF以上還是EF以下，並伴隨著相對能量的相應下降。如圖3a, b所示，在[0-1-1]方向上法線的階躍邊在能量為EA- ≈ -0.2 mV時達到峰值，而法向量相反的階躍邊在EA+ ≈ +0.2 mV時達到峰值。研究者從4個不同樣本的30多個階躍邊的數據中，確定所觀察到的手性現象是普遍存在的。綜合數據表明，這種不對稱性不是由微觀細節控制的，而是由整個系統的對稱性控制的。
研究者通過以下幾點證明，這些手性特徵與超導性密切相關。1. 峰傾角能量標度位於超導隙內。2. 溫度相關測量(圖4b)表明，共振隨溫度的升高而穩定衰減，在Tsc附近消失。3. 磁場相關的dI/dV沿階梯邊緣映射顯示，在施加磁場後，共振變得越來越弱，在Hc2 (B附近變得難以探測(圖4 d)。以上證據表明，dI/dV特徵是超導的結果。
UTe2中三重態的討論UTe2的磁性能顯示出有一個與a軸平行的單一的易軸，而其他兩個方向是硬軸。兩個非簡併配對態(d1,2(k))的組合可以沿易軸耦合到一個局部自旋磁矩M，參與自旋三重配對態。而這需要在d1和d2之間有一個π/2的相對相位，這將導致一個手性超導相手性軸平行於a軸。這樣的手性超導體在拓撲上是非平庸的，並且具有破缺的時間反演對稱性。如果手性軸確實是沿著a軸的(圖3)，那麼切割後的樣品的頂部和/或側表面將承載受拓撲保護的手性態，這些手性態具有亞間隙能，並且在平行於這些手性表面的某些方向上具有線性色散(圖4e)。正如Kobayashi等人理論所述，只要超導本體相的手性軸不垂直於表面，原則上就存在這樣的表面態。
圖3 UTe2的手性間隙態
階梯邊緣的非對稱隧穿特徵 如圖4 e所示，是基於對稱性考慮的動量選擇隧道圖。由於STM隧道電流通常在所有動量方向上平均進入表面的，在遠離階梯邊緣的平面表面上的手性表面態中隧穿將導致粒子洞對稱隧穿光譜。如果這個平均動量平行於隙中表面態的手性色散的動量，可以有選擇地只訪問[0−1−1]([011])臺階的負能量(正能量)狀態，這樣就產生了不對稱的線條形狀。此外，在45°階梯邊緣的數據(圖3i)顯示了一個以費米能量為中心的束縛態，而邊緣的束縛態依賴於詳細的超導隙結構，因此，觀察到的45°階邊緣處的峰值(圖3i)為超導序參量的建模提供了進一步的論證。
圖4 手性邊緣態的現象學
本研究UTe2的數據揭示了重費米超導體的許多有趣特性。近藤共振與超導電性的反關聯內單元胞調製是量子臨界狀態下相互競爭作用的表現，需要進一步的理論模擬來了解其起源與意義。UTe2為馬約拉納費米子的固態實現和探索提供了一個天然的平臺。Jiao, L., Howard, S., Ran, S. et al. Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe2. Nature579, 523–527 (2020).DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2122-2
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