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量子研究院黄文课题组在Sr2RuO4非常规超导电性的理论研究方面取得重要进展
量子研究院黄文课题组在Sr2RuO4非常规超导电性的理论研究方面取得重要进展
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2024年3月27日

近日,量子研究院副研究员黄文课题组在Sr2RuO4非常规超导电性的理论研究方面取得进展,提出了该超导体中由量子几何效应诱导本征Kerr效应的新机理。相关研究成果以“Quantum-geometry-induced anomalous Hall effect in nonunitary superconductors and application to Sr2RuO4”为题发表在Physical Review Letters。


Sr2RuO4的非常规超导电性问题是长期萦绕在超导研究领域上空的一团迷雾。经过30多年的探索,至今没有任何一种超导序参量能完整解释该材料所有重要的实验现象。该材料有一重要的特征是存在多轨道超导。在多轨道体系中,即使在无相互作用极限下,各能带上的Bloch电子也并非简单的相互独立的粒子。实际上,一个能带上Bloch电子的输运与其它能带上的电子输运存在由Bloch态之间的非阿贝尔贝里联络(non-Abelian Berry connection)来刻画的量子关联。这种关联是量子几何效应的根源。


图:Sr2RuO4超导态本征Kerr效应形成的两个必要条件,即非幺正库珀配对以及含自旋轨道耦合的量子几何效应。上图:非幺正配对的特征是自旋向上电子之间形成的配对与自旋向下电子之间的配对强度不一样。下图:多带体系中由带间速度刻画的布洛赫电子的量子几何性质。



本研究揭示了量子几何在Sr2RuO4中发挥的重要作用,通过阐明这种材料中观察到的极化Kerr效应的起源,缩小了其超导配对对称性的可能范围。极化Kerr效应是确定该超导体性质的重要实验,与其反常霍尔响应密切相关。先前的研究发现的引起这种效应的多种机制,或需要存在杂质散射等外在因素,或需要借助于物理上不切实际的带间配对。此项研究表明,借助于含自旋轨道耦合的量子几何效应,一些特殊的超导态可以在无带间配对的情况下产生本征Kerr效应。这些超导态的特征是自旋向上电子间的配对与自旋向下电子间配对强度不相等,通常称为非幺正配对(nonunitary pairing)。在Sr2RuO4晶体对称性的限制下,只有两种非幺正配对态能引起本征Kerr效应:即三维手征p波(3D chiral p-wave),以及混合螺旋p波(mixed helical p-wave)。这为最终确定Sr2RuO4的超导对称性带来了新的启示。巧合的是,黄文课题组之前在另两个工作中已分别从其它角度探讨过这两种新奇的超导态的性质[PRL 121, 157002 (2018); PRR 3, L042002 (2021)]。



该论文共同第一作者分别为香港科技大学博士后张嘉龙(南科大量子院访问学者)与南科大量子研究院博士后陈伟鹏(现就职于暨南大学)。量子研究院黄文副研究员为论文通讯作者。共同完成本项研究工作的还包括南科大量子院研究生刘昊天,河南省科学院量子材料与物理研究所、中国科学院大学卡弗里理论科学研究所的李宇博士,美国芝加哥大学的王志强博士。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金,深圳市孔雀团队,广东省重点实验室、南科大量子科学与工程研究院的支持。





文章全文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.136001