研究揭示Half-Heuslar合金YPtBi的非常規超導電性

　　【儀表網 研發快訊】拓撲量子計算可有效抵抗雜質、相互作用等的擾動，從而解決量子退相干與糾錯的問題，實現容錯量子計算。本征拓撲超導材料的超導態具有非常規的超導能隙結構，在晶體材料的自然邊界可產生馬約拉納零能模式，是實現拓撲量子計算的主要方案之一。相比其他方案，該方案從原理上可回避諸如兩種材料的晶格不匹配對拓撲保護的影響以及磁場/磁性雜質引入的其他低能態等問題，是當前凝聚態物理研究的前沿方向。然而，由于馬約拉納費米子的自反性的限制，目前只有少數具有奇宇稱配對態的材料被認定為拓撲超導體候選材料。注冊儀表網，馬上發布/獲取信息
 

　　非中心對稱超導體由于空間反演對稱破缺，非對稱的晶體勢場會產生反對稱的自旋-軌道耦合，致使自旋簡并的能級劈裂成兩條自旋取向相反的能帶。這時超導配對波函數可以是偶宇稱和奇宇稱的疊加，導致非常獨特的超導現象。有理論研究推斷，在具有超導電性的half-Heusler合金材料中，有望實現拓撲超導。其中，YPtBi備受關注。μSR等測量表明YPtBi超導能隙存在節點，因而YPtBi可能具有非常規的超導電性。此外，能帶反轉使費米面附近的電子具有j=3/2的總角動量，可能使形成庫珀對的電子具有超越自旋三重態的自旋五重或七重態配對模式。理論提出了多種可能的配對形式，例如單態+七重態配對、單態+五重態配對等。而由于YPtBi超導轉變溫度和載流子濃度均很低，實驗具有較大挑戰，一直缺乏對YPtBi超導態的微觀實驗表征。
 

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心HX-02組的特聘研究員周睿指導博士研究生周藝舟，并與物理所研究員王文洪團隊、上海科技大學教授郭艷峰團隊合作，在高質量YPtBi單晶樣品上開展了核磁共振(NMR)實驗。實驗克服了弱場下核磁共振測量信號小的困難，使用極低溫與極低頻NMR技術，借助195Pt核對YPtBi的正常態和超導態性質開展了全面研究。在正常態，實驗發現YPtBi自旋晶格弛豫率1/T1T出現了隨溫度下降而顯著增大的行為。由于195Pt的核自旋I=1/2，不存在電四極矩，因此無法感知電荷或軌道漲落，表明在YPtBi中存在反鐵磁自旋漲落。進入到超導態后，1/T1在Tc之下沒有出現Hebel-Slichter相干峰，并隨著溫度降低，出現了T3的溫度依賴關系，表明超導態不同于常規的BCS超導體。同時，實驗觀察到，在進入超導態后NMR譜發生了明顯移動，表明自旋磁化率在進入超導態后出現了下降。科研人員在通過高壓核磁共振實驗測量得到軌道磁化率對奈特位移的貢獻后發現自旋磁化率在零溫極限下依然是有限值。對于偶宇稱超導體，各個晶體方向的自旋磁化率都應在零溫時趨近0；而對于奇宇稱超導體，庫伯對則會貢獻自旋磁化率。因此，當超導配對波函數出現偶宇稱和奇宇稱的疊加時，自旋磁化率并不會下降到0(零溫極限下)。實驗結果表明，YPtBi的超導配對波函數有偶宇稱和奇宇稱的疊加，并通過對1/T1的多能隙擬合，最終得到YPtBi的能隙配對對稱性可能是s+p或d+p。而考慮到正常態出現了反鐵磁漲落，結果表明d+p的能隙配對對稱性與反鐵磁電子關聯的出現更自洽。
 

　　該研究為相關材料的理論模型建立提供了重要信息。Half-Heuslar合金超導材料為研究非常規超導、拓撲能帶結構和電子關聯之間的關系提供了平臺，值得對這一類材料中的超導電性做更深入的研究。相關研究成果以Antiferromagnetic Spin Fluctuations and Unconventional Superconductivity in Topological Superconductor Candidate YPtBi Revealed by 195Pt-NMR為題，發表在《物理評論快報》(Physics Review Letters)上，并被選為Editors' Suggestion。《物理評論快報》Synopsis欄目發表了題為Unconventional Spin States in YPtBi的專題科普報道。研究工作得到國家自然科學基金、科學技術部、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)等的支持。