三维伊辛超导体中磁电耦合驱动的有限动量配对特征研究

研究人员针对有限动量超导配对态(FMPs)在强关联体系中的形成机制这一前沿问题，通过硬X射线衍射和角分辨光电子能谱(ARPES)技术，在具有局部非中心对称特性的块体超导体4Hb-TaS2中发现了二维铁旋转电荷密度波(CDW)和弱层间耦合特征。研究发现上临界场Hc2线性增长并远超泡利极限，证实了轨道配对破坏机制的主导地位。特别重要的是，观测到磁场诱导的s波超导体向六重旋转对称性破缺的FMP态转变，通过金兹堡-朗道理论分析揭示了铁旋转CDW诱导的磁电耦合对FMP态的稳定作用。该研究为理解量子异质结构中非常规超导行为提供了新视角。

　　

在凝聚态物理的前沿领域，有限动量超导配对态(FMPs)因其与赝能隙相、马约拉纳费米子等奇异物理现象的联系而备受关注。与传统巴丁-库珀-施里弗(BCS)超导体不同，FMPs具有空间振荡的配对振幅特征，这种状态通常需要在强关联电子体系中抑制均匀超导态才能实现。过渡金属二硫化物(TMD)因其独特的伊辛型自旋轨道耦合(Ising SOC)和层状结构，成为研究FMPs的理想平台。然而，关于三维块体材料中FMPs的形成机制，特别是轨道效应与磁电耦合的竞争关系，仍存在重大科学问题亟待解决。

中国科学院物理研究所的研究团队选择具有量子异质结构的4Hb-TaS₂作为研究对象。这种材料通过1H/1H'-TaS₂（局域非中心对称）与1T-TaS₂（中心对称）层的交替堆叠，同时具备伊辛超导性和CDW诱导的平带特性。通过综合运用硬X射线衍射、角分辨光电子能谱和极低温输运测量等先进技术，研究人员系统表征了该材料的电子结构和超导特性。

研究首先通过X射线衍射发现1T层中二维铁旋转CDW的存在，其衍射峰沿堆叠方向(L方向)完全无序，这与三维晶体结构形成鲜明对比。ARPES测量进一步证实了1H/1H'层的电子态具有弱层间耦合特征（t_⊥/β_SOC<0.02），且Ising SOC强度达220 meV。这些发现为理解后续超导特性奠定了基础。

在超导性能研究方面，团队观察到几个突破性现象：1）上临界场H_c2在平行磁场下达到泡利极限的4倍，证实了轨道效应主导的配对破坏机制；2）极角依赖测量发现θ_c~1°处的超导-超导转变，对应从三维阿布里科索夫涡旋态向二维约瑟夫森涡旋态的转变；3）最引人注目的是，在面内磁场B_∥>B_c时，电阻的C₂对称性破缺为C₆对称性，表明连续旋转对称性的破缺和FMP态的形成。

通过建立包含磁电耦合项的Lawrence-Doniach型金兹堡-朗道理论模型，研究人员成功解释了实验现象。理论计算表明，单纯的轨道机制无法解释旋转对称性破缺，必须考虑铁旋转CDW诱导的高阶磁电耦合项。这些耦合项自然地导致超导配对对称性从C_∞降低到C₆，与实验结果完美吻合。

该研究的重要意义在于：1）首次在三维块体材料中证实了磁电耦合驱动的FMP态，突破了传统FFLO态仅由塞曼效应或轨道效应驱动的认知框架；2）建立了铁旋转CDW与非常规超导电性的关联机制，为设计新型量子材料提供了理论指导；3）发现的二维电子态与三维晶体结构解耦现象，为探索维度调控的量子效应开辟了新途径。这项发表于《Nature Communications》的研究不仅深化了对伊辛超导体中配对机制的理解，也为实现拓扑超导和马约拉纳零能模等应用目标奠定了重要基础。