困扰超导材料界30年！这种材料，新发Nature Physics！

研究背景

Sr₂RuO₄是一种典型的非常规超导材料，自1994年首次发现超导性以来，因其特殊的超导性质成为了研究的热点。特别是它的自旋三重态超导性假设，曾一度被认为可能携带自旋和电荷超电流，然而这一假设在2019年被推翻。尽管经历了多年的研究，Sr₂RuO₄的超导对称性仍未得到明确的解决，这为科学家们带来了巨大的挑战。该材料的超导状态对杂质极其敏感，且具有强烈的电子关联效应，展现出与传统超导材料截然不同的性质。Sr₂RuO₄的电子结构非常复杂，包括强自旋轨道耦合、多重轨道参与的超导状态等特点。此外，尽管该材料在高质量单晶的生长和实验上取得了很大进展，但至今仍无法得出其超导机制的统一结论。

成果简介

鉴于此，日本京都大学Y. Maeno, A. Ikeda & G. Mattoni三个人在Nature Physics期刊上发表了题为“Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4”的最新评述。研究人员通过不同实验手段对Sr₂RuO₄的超导对称性进行了多方位的探讨。例如，2019年的研究表明，原本支持自旋三重态配对的核磁共振（NMR）结果由于样品加热效应的影响被证明是错误的，这一发现促使超导自旋状态的理解发生了转变。当前，科学界对Sr₂RuO₄超导对称性的主要争议集中在时间反转对称性是否被打破，以及超导能隙是否存在水平节点等问题上。研究人员正在通过更细致的实验，力求最终解决这些争议，揭示Sr₂RuO₄的真实超导机制。

研究亮点

1. 实验在Sr2RuO4中发现了超导性，并确定其超导转变温度Tc约为1.5K。

2. 研究通过多种实验方法（如角分辨光电子能谱、核磁共振等）揭示了Sr2RuO4的强电子相关性、适度的自旋轨道耦合以及超导态涉及多个电子轨道等特征。尽管如此，超导对称性仍然存在争议，实验结果并未达成一致。

3. 通过高质量单晶的生长和实验数据的高重复性，进一步确认了Sr2RuO4作为一个典型的量子材料，超导特性存在独特的复杂性。研究提出，超导对称性可能涉及破缺时间反演对称性（TRS）和是否存在水平线节点等问题，进一步加剧了争论。

4. 实验通过NMR和中子极化实验发现，超导配对可能是自旋单重态，而非原先猜测的自旋三重态，这一结论导致了对超导对称性的重新评估。

图文解读

图1: 利用区熔法floating-zone的Sr2RuO4晶体生长。

图2: Sr2RuO4超导对称性。

图3:Sr2RuO4的轨道间配对状态。

结论展望

本文通过深入探讨Sr2RuO4超导体的不同应变实验结果，揭示了在理解这种非常规超导体时的挑战与复杂性。实验中的两个主要争议点——Tc与应变的关系曲线的拐点缺失，以及平面内和垂直平面压缩应变下Tc变化斜率的差异——为我们提供了宝贵的科学启示。

首先，超导状态的微观机制仍然未解，甚至一些经典实验技术得出的结果也需不断修正，这表明在探索非常规超导体的过程中，传统的思路和实验方法可能需要与时俱进。

其次，不同实验方法和技术的结合，有助于更全面地理解超导相行为，例如超声波实验和单轴应变实验的比较，这启示我们在研究复杂材料时应避免单一视角，而应尝试多方位的交叉验证。

最终，Sr2RuO4的研究提醒我们，科学进步往往需要通过不断的修正和创新，放弃已有的固有认知，才能破解复杂系统的秘密。这对于超导研究以及更广泛的凝聚态物理领域都具有深远意义。

文献信息

Maeno, Y., Ikeda, A. & Mattoni, G. Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4. Nat. Phys. 20, 1712–1718 (2024).

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