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图 单层铁碲硒高温超导薄膜畴界处的配对密度波。（a）单层铁碲硒薄膜畴界所在区域的形貌图，图中亮线部分为畴界，晶格在畴界处沿铁原子最近邻方向出现挤压。（b）畴界处的配对密度波示意图，图中蓝色区域为畴界外的单层铁碲硒表面原子晶格。在畴界区域内，超导序参量（由高度和颜色表征）在空间上表现出周期性的调制
在国家自然科学基金项目（批准号：11888101）等资助下，北京大学量子材料科学中心王健教授研究组与波士顿学院汪自强教授等合作，在单层铁基高温超导薄膜中发现了本征配对密度波，为研究非常规超导体中的配对密度波提供了一个全新的平台。研究成果以“单层铁基高温超导体中的配对密度波态（Pair density wave state in a monolayer high-Tc iron-based superconductor）”为题，于2023年6月28日发表在《自然》（Nature）杂志上，文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06072-x。
作为一种宏观量子物态，超导体具备零电阻和完全抗磁性等独特的物理特性，在医疗、信息、交通、能源、量子科技等众多领域具有重要的应用价值，百余年来一直受到学术界和工业界的广泛关注。在BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超导微观理论的框架下，超导起源于自旋和动量相反的两个电子结合形成的零质心动量库珀对相干凝聚。然而，在铜基高温超导体的理论研究中，科学家提出非零动量的库珀对也可以凝聚，形成一种新型超导态——配对密度波态。配对密度波可能是一种与d波超导并存的重要主导序，有望提供统一的视角来理解非常规高温超导相图中复杂的交织序，并揭示交织序与高温超导电性之间的关联。长久以来，在除铜基超导体之外的第二类高温超导家族——铁基超导体中，配对密度波态一直未得到实验证实。
本工作中，北京大学王健教授带领的实验团队通过分子束外延技术，在钛酸锶衬底上成功制备出大尺度、高质量的单层铁碲硒（Fe(Te,Se)）高温超导薄膜。研究团队利用原位低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱技术，在薄膜表面发现了一种晶格沿铁原子最近邻方向挤压形成的畴界，并在畴界处观测到了具有实空间周期性调制的局域态密度信号。进一步研究发现，畴界处与超导序参量直接相关的超导相干峰高度和超导能隙具有相同周期的空间调制特征，从而提供了二维铁基高温超导体中配对密度波的直接实验证据。在此基础上，研究团队发现在畴界处同时具有电荷密度波，其周期为配对密度波周期的一半。配对密度波和电荷密度波空间相位的对应关系表明配对密度波为畴界附近的主导序。波士顿学院的汪自强教授从理论上解释，本征配对密度波的起源是在畴界处具有相同自旋的电子形成的非零动量的库珀对。基于该理论模型得到的模拟计算结果与实验数据基本一致，表明畴界处的配对密度波可能具有自旋三重态的拓扑超导特征。
本工作首次在铁基超导体中观测到本征配对密度波，为揭示非常规超导体中的配对密度波机理，非常规高温超导电性以及拓扑电子态提供了一个新的研究平台。