姚宏研究组在拓扑超导候选材料Sr2RuO4的超导理论研究方面取得进展

 

清华大学低维量子物理国家重点实验室成员、高等研究院教授姚宏和高等研究院博士后、杨振宁青年学者黄文在关于Sr2RuO4 (锶钌氧)的非常规超导电性理论方面取得进展。

Sr2RuO4是最典型的非常规超导体之一。其超导配对的对称性及配对机制一直以来都是凝聚态物理的热点问题。一批早期的实验证据显示其可能是拓扑非平庸的手性p波(即p+ip)超导体。p+ip超导体的量子磁通涡旋中心可以产生马约拉纳(Majorana)费米子激发模,这种遵循非阿贝尔统计的马约拉纳零能模可应用于具有容错特性的拓扑量子计算。但是,该超导体的另一些重要实验现象却与p+ip超导态存在较明显的矛盾。一个比较显著的例子是,p+ip超导体的边缘应当存在自发边界电流,但多个细致的实验到目前都没有观察到其存在迹象。

从理论上理解Sr2RuO4的电子配对,不仅可以为确定该体系是否为拓扑超导体提供理论依据,也可为研究非常规超导配对机制提供一个新的范本。为解决这一重要问题,姚宏教授和黄文博士提出了一个新理论,即这个材料可能属于一种三维的向列型 (nematic) p波超导体。前面提到的手性p波配对主要来自于电子在RuO2层的层内配对,这也与这个材料很好的二维电子结构相呼应。然而,他们的新理论指出,因为自旋轨道耦合及层间耦合的影响,Sr2RuO4不可避免地同时存在层内和层间的电子配对。他们的研究发现,随着层间配对相对于层内配对增强到一定程度,该体系可从手性p波转变为向列型 p波超导态。这种向列型p波超导态破缺了该材料的四重旋转对称性 (下图所示为具有代表性的向列型p波超导的能隙)。更重要的是向列型p波超导态不破缺时间反演对称性,因此不会产生边界电流,这与目前关于边界电流的实验结果相符。向列型p波超导也与近期的一些其他实验现象相吻合

 

    
                             

该研究成果以“Possible Three-Dimensional Nematic Odd-Parity Pairing in Sr2RuO4”为题,于2018年10月12日发表在《物理评论快报》杂志[Phys. Rev. Lett. 121, 157002 (2018)]。论文的第一作者为黄文博士,通讯作者为姚宏教授。该研究工作得到了低维量子物理国家重点实验室自主科研基金、国家重点研发计划项目“二维新型量子体系的设计、调控和原型器件探索”及“拓扑超导等关联体系的量子态”、和国家自然科学基金等的支持。

文章全文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.157002