Science Bulletin: PbTaSe2拓扑表面态的向列超导电性

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凝聚态物理学中，自发对称性破缺现象对于相变的研究往往具有非常重要的意义。超导相变通常与规范对称性破缺相关，而其他类型对称性破缺的出现，往往会诱导一些非常规超导电性，例如时间反演对称性破缺和晶格旋转对称性破缺。

最近，来自浙江大学的研究团队与日本东京大学，中科院物理所，浙江工业大学，复旦大学等单位合作，报道了在具有六角晶格结构的拓扑材料PbTaSe₂的超导态中，观测到电阻上临界场和点接触谱中具有的二重对称现象。这种二重对称性在块体超导电性被抑制后依旧存在，并且一直持续到表面超导的上临界场，意味着其可能是一种“仅存在于表面”的向列性超导。作为佐证，对块体的平面内的磁场转角比热测量，并没有观测到超导态的六度晶格旋转对称性破缺现象。理论计算发现这种向列超导电性可能来源于PbTaSe₂的拓扑表面态超导。这些发现，为揭示向列超导电性与非平庸拓扑性质的关系提供了新的视角。

诸如铜氧化物超导材料，铁基超导材料和重费米子材料等一系列凝聚态物质，均呈现出奇异的电子向列序行为，其对称性低于晶格的旋转对称性，这与液晶的向列性极其相似。另一方面，伴随着拓扑绝缘体和拓扑半金属的发现，拓扑超导体因为其在拓扑量子计算中的应用前景而吸引了众多研究者的注意力。其中，拓扑超导候选材料Cu_xBi₂Se₃表现出晶格旋转对称性破缺，被认为与拓扑超导电性紧密相关。因此，在其他拓扑超导候选材料中寻找向列性超导尤为重要，它将有助于进一步研究向列性超导与能带非平庸拓扑性质的关系。

人们已经发现非中心对称超导材料PbTaSe₂存在着狄拉克节点线及其自旋极化的拓扑表面态。作为一个纯净的化合物，PbTaSe₂是一个非常合适的拓扑超导候选材料。最近，通过磁场转角的电阻和点接触谱测量手段，来自浙江大学的研究团队发现，PbTaSe₂的平面内电阻上临界场以及点接触谱都呈现出明显的二重对称性，并且一直持续到电阻上临界场。由于体态的超导电性在比热对应的上临界场时已经被抑制，结合理论分析，他们推测PbTaSe₂中观测到的向列性超导很可能只与拓扑表面态超导有关。

图1.（a）PbTaSe₂磁场转角的软点接触谱测量示意图。（b）1.8 K时，不同磁场强度下点接触的零偏压电阻随着平面内磁场方向的变化；（c）在1.8 K，0.3 T时，点接触电导曲线随着平面内磁场方向的三维等高图；（d） 0.35 K时，在不同磁场下比热随着平面内磁场方向的变化，曲线有平移。

图1（a）是磁场转角下的软点接触谱技术，其中磁场方向始终在样品的ab平面内。图1（b）表示温度在1.8 K时不同磁场强度下，零偏压点接触电阻（ZBR）随着平面内磁场方向的变化。~1.0 T以下，可以看到ZBR明显的哑铃状二重对称行为，这表明超导能隙各向异性，且具有C₂对称性。通过在1.8 K，0.3 T时不同磁场方向点接触电导曲线G(V)的三维等值线彩图，可以发现安德列夫反射引起的电导峰宽度及强度也呈现出二重对称的行为，其结果如图1（c）所示。当磁场沿着平行于Se-Se (Pb-Pb)的晶轴时，超导信号被平面内的磁场显著减弱了，点接触电导曲线G(V)的电导峰结构比较瘦弱，表明上临界场的最小值是沿着晶轴方向。因此，这里在超导态内观测到的二重对称行为表明，PbTaSe₂中存在着因为晶格旋转对称性破缺而具有的向列性超导。

同时，他们注意到ZBR的二重对称性强度随着平面内磁场的增大，在0.2-0.4 T时达到最大，且一直持续到~0.8 T。考虑到PbTaSe₂存在自旋极化的拓扑表面态，他们推测这种向列性超导可能与体态超导无关，仅仅起源于超导的拓扑表面态。而合作者们在平面内磁场转角比热测量中并没有观察到体态超导的各向异性行为，如图1（d）所示。据他们所知，这可能是第一次在实验上观测到仅来自于表面的向列性超导。

来自PbTaSe₂表面的向列性超导的起源还有待进一步的研究，但是他们的研究结果表明PbTaSe₂作为一个纯净的化合物，可能是研究向列性超导与拓扑超导关系的理想材料体系。同时，合作者们也从理论上分析了PbTaSe₂拓扑表面态形成超导后可能的库伯对配对对称性，并发现当A₁和E超导配对态混合存在时，可以出现实验中观测到的向列性超导。具体内容请参见原文。

本研究由国家重点研发计划(2016FYA0300402, 2017YFA0303101, 2016YFA0300202)、国家自然科学基金（11674279, U1732162, 11974061, 11774306, 11374257）、浙江省杰出青年基金（LR18A04001）和中科院先导计划（XDB28000000）等项目资助。日本合作者由JSPS-KAKENHI (JP20H05164, 19K14661, 15H05883, 18H01161, JP17K05553)和J-Physics(18H04306)等项目资助。

文章信息：

Tian Le, Yue Sun, Hui-Ke Jin, Liqiang Che, Lichang Yin, Guiming Pang, Chunqiang Xu, Lingxiao Zhao, Shunichiro Kittaka, Toshiro Sakakibara, Kazushige Machida, Raman Sankar, Huiqiu Yuan, Genfu Chen, Xiaofeng Xu, Shiyan Li, Yi Zhou, Xin Lu. Evidence for nematic superconductivity of topological surface states in PbTaSe2. Science Bulletin, 2020, 65(16):1349–1355; doi: 10.1016/j.scib.2020.04.039

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320302644

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