北京大学，一周之内两篇Nature！

2023年6月26日，北京大学化学与分子工程学院的许言教授在Nature上发表了一篇文章，题为“Functional Group Translocation of Cyano Groups by Reversible C-H Sampling”。

无独有偶，仅仅两天之后，北大再发Nature！本文中，将重点介绍以下文章。

对密度波(PDW)是一种特殊的超导态，其中库珀对携带非零动量。最近，已经出现了高温(高T_c)的铜氧化物超导体和笼目超导体中固有PDW有序性的证据。然而，铁基高温超导体中的PDW有序性，尚未在实验中观察到。

在此，来自美国波士顿学院的Ziqiang Wang & 北京大学的王健等研究者利用扫描隧道显微镜和光谱技术，在SrTiO₃(001)衬底上生长的单层铁基高 Tc Fe(Te, Se)薄膜中发现了 PDW 态。相关论文以题为“Pair density wave state in a monolayer high-T_c iron-based superconductor”于2023年06月28日发表在Nature上。

在传统的Bardeen-Cooper-Schrieffer超导体中，携带时间反转动量的电子，形成零质量中心的库珀对并产生一个可平移不变的超导有序性参数。在时间反演对称性被破坏的交换场中，库珀对可能获得有限动量Q并显示空间非均匀的对密度，这被称为富勒-费雷尔-拉金-奥夫钦尼科夫(FFLO)态。

进一步的研究将有限动量配对状态推广到涉及多个Q分量的情境中，而不必破坏时间反演对称性。这种对密度波(PDW)态被提出存在并在高温(高T_c)的铜氧化物超导体中发挥基本作用。

此外，相邻CuO₂平面中的正交PDW态被提出来解释块状La_2-xBa_xCuO₄(x = 1/8)的二维超导性。然而，之前关于PDW态的实验研究主要基于块状超导体，并且在低维极限下直接可视化PDW是具有挑战性的。

与铜氧化物超导体类似，铁基超导体(FeSCs)具有复杂的相图，存在多种对称性破坏的电子态，如向列相和条纹反铁磁态。在平面内磁场下，FeSCs中低温下的上临界场异常上升被报道，被认为是FFLO状态的标志。

然而，直接证据表明FeSCs中存在PDW有序性是缺乏的。在FeSCs中，单层FeSe和Fe(Te,Se)薄膜由于其高超导转变温度和拓扑电子结构而受到广泛关注。最近，在STO基底上的非超导多层FeSe中观察到了电荷有序性，这引发了一个问题：是否可以在超导单层FeSe或Fe(Te,Se)薄膜中出现PDW有序性？

在这里，研究者使用原位扫描隧道显微镜(STM)和扫描隧道能谱学(STS)报告了沿着固有域壁的1-UC Fe(Te,Se)/STO薄膜中的PDW状态的观察结果。

通过局部态密度的空间电子调制、超导能隙和π相移边界的环绕纠缠电荷密度波有序性的涡旋周围，观察到具有周期为λ≈3.6a_Fe(a_Fe是邻近Fe原子之间的距离)的PDW状态。在单层Fe(Te,Se)薄膜中观察到PDW状态的发现提供了一个低维平台，来研究高T_c超导体中相关电子态和非常规配对相互作用。

图1. 1-UC Fe (Te, Se)/STO 中沿 Fe-Fe 键方向的畴壁

图2. LDOS 在结构域壁上的空间调制标记为 D1

图3. D2标记的畴壁相干峰高度的周期性调制

图4. 磁畴壁上的超导间隙能量调制被标记为 D3

图5. PDW 相中的π相移边界

综上所述，研究者在1-UC Fe(Te,Se)/STO中发现了具有周期为λ≈3.6a_Fe的不同步PDW状态，位于域壁上。研究者的发现表明，自然出现的2D FeSCs中的量子结构，如嵌入的域壁，为研究PDW状态及其与拓扑电子态和非常规高T_c超导性的相互作用，提供了新的材料平台。

作者简介

王健，1979年生，2001年毕业于山东大学物理学院（物理学学士），2006年毕业于中国科学院物理研究所（凝聚态物理博士）。2006年到2010年，在美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心和物理系做博士后。2010年到2011年任美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心助理研究员 (Research Associate)。2010年受聘为北京大学物理学院量子材料科学中心博士生导师、研究员。2012年入选科技部青年科学家专题项目负责人。2012年获自然基金委优秀青年基金。2015年获第二届马丁伍德爵士中国物理科学奖。2015和2016年荣获北京大学优秀博士论文指导教师奖。2016年入选教育部长江学者特聘教授。

文献信息

Liu, Y., Wei, T., He, G. et al. Pair density wave state in a monolayer high-Tc iron-based superconductor. Nature 618, 934–939 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06072-x

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06072-x

https://faculty.pku.edu.cn/wangjian/zh_CN/more/9301/jsjjgd/index.htm

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