铁基超导体FeSe1-xTex中拓扑与时间反演对称性破缺的协同效应

研究人员针对铁基超导体中拓扑超导态与时间反演对称性破缺（TRSB）的关联机制这一未解难题，通过μ子自旋弛豫（μSR）技术系统研究了FeSe1-xTex的电子相图。发现Te组分x=0.64时体超导态自发产生~1G磁场，首次证实拓扑非平庸能带结构与TRSB超导态的共存，为探索马约拉纳零能模提供了新平台。

　　

在量子材料研究领域，拓扑超导体的探索始终面临两大挑战：如何在体材料中实现拓扑非平庸的电子结构，以及如何通过对称性破缺诱导出新奇量子态。铁基超导体FeSe_1-xTe_x因其可调控的拓扑表面态（TSS）和高达14.5K的超导转变温度（T_c），成为解决这两个问题的理想体系。然而，时间反演对称性（TRS）在拓扑超导体中的作用机制长期缺乏实验证据，特别是体材料中TRS破缺与拓扑态的协同效应仍属空白。

日本东京大学的研究团队通过高精度μ子自旋弛豫（μSR）技术，系统研究了FeSe_1-xTe_x单晶的电子相图。在最具代表性的x=0.64组分（T_c=14.5K）中，零场μSR检测到超导态下自发产生的静磁场（~1G），证明体超导态打破了时间反演对称性。这一发现与表面敏感的克尔效应测量结果相互印证，但μSR的穿透深度远超相干长度，确证了TRSB的体特性。更有意义的是，该组分恰好处于已知存在拓扑表面态和马约拉纳零能模的区间，首次实现了拓扑电子结构与TRSB超导态的体相共存。

研究主要采用三项关键技术：1）化学气相输运法和布里奇曼法生长不同Te组分的单晶样品；2）零场/纵向场μSR技术区分静态与动态磁场；3）弱横向场μSR确定磁有序体积分数。通过电阻率、磁化率和比热测量辅助表征超导与磁相变。

结果部分

TRSB超导态的发现

在x=0.35（奈姆相）和x=0.64（四方相）样品中，零场μSR弛豫率在T_c以下显著增强，且纵向场200G可抑制该效应（图2e,f），证实超导态产生静态内场。x=0.64的TRSB起始温度T_TRSB≈11.5K，其自发磁场强度（NSR模式0.62G，SR模式1.53G）远超常规TRSB超导体。

磁有序与超导的竞争

x≥0.75样品出现快慢双组分弛豫（图2g,h），且不受纵向场影响，表明短程反铁磁（AFM）关联与超导共存。x=0.94样品则显示长程AFM转变（T_N=45K），磁有序体积分数达90%（图3e）。

电子相图重构

研究整合FeSe_1-xS_x数据绘制了完整相图（图4）：奈姆相区（x≤0.5）可能实现s+e^iθd波超导；四方相x=0.64发现新型TRSB态；高Te区（x≥0.75）存在AFM与超导的竞争。比热数据表明x=0.64具有完全能隙，区别于奈姆相的各向异性能隙。

结论与意义

该研究首次在FeSe_1-xTe_x中证实了TRSB体超导态与拓扑电子结构的协同存在。理论预测这种态可能实现±π/2相位差的简并配对（如A_1g+iB_1g），强自旋轨道耦合可诱导Dirac能隙（图1d）。这一发现为在相对高T_c体系中调控马约拉纳零能模提供了新途径，对发展拓扑量子计算具有重要意义。论文以《Topology meets time-reversal symmetry breaking in FeSe_1-xTe_x superconductors》为题发表于《Nature Communications》。