當(dāng)磁場(chǎng)進(jìn)入第二類超導(dǎo)體的時(shí)候，會(huì)形成量子化的磁通渦旋，每一根磁通渦旋的磁通量是Φ0=h/2e=2.07*10-15韋伯。 超導(dǎo)態(tài)的準(zhǔn)粒子會(huì)受到磁通渦旋電流的約束，形成磁通束縛態(tài)，其能級(jí)是分立的(如圖1a所示)；在通常情況下，磁通束縛態(tài)會(huì)表現(xiàn)為具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的環(huán)狀態(tài)密度分布，且環(huán)的半徑隨著能量的增加而增大(圖1b-d)。最近，南京大學(xué)物理學(xué)院聞?；ⅰ顨g團(tuán)隊(duì)與王強(qiáng)華、王達(dá)團(tuán)隊(duì)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所向濤、羅會(huì)仟和李世亮團(tuán)隊(duì)合作，利用掃描隧道顯微鏡在鐵基超導(dǎo)體KCa2Fe4As4F2中發(fā)現(xiàn)了一種全新的項(xiàng)鏈狀磁通態(tài)，其態(tài)密度在環(huán)向上出現(xiàn)了周期約為π/kF的振蕩(圖1e-g)，他們把這種全新的磁通態(tài)稱為項(xiàng)鏈狀磁通態(tài)。通過理論計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象是準(zhǔn)粒子與雜質(zhì)散射的結(jié)果：雜質(zhì)散射會(huì)誘導(dǎo)具有角動(dòng)量相反的兩種準(zhǔn)粒子束縛態(tài)之間的相干，從而形成類似駐波的空間振蕩。
該工作報(bào)道了一種全新的磁通束縛態(tài)，為理解超導(dǎo)準(zhǔn)粒子的本質(zhì)和磁通的性質(zhì)提供了重要新線索。
圖1a展示了理論預(yù)期的磁通束縛態(tài)能級(jí)示意圖，具有相反角動(dòng)量(±l)的束縛態(tài)波函數(shù)在空間上重合，當(dāng)雜質(zhì)引起束縛態(tài)之間散射時(shí)，它們之間的干涉會(huì)起到重要的作用。相反的角動(dòng)量意味著這兩個(gè)態(tài)可以看作是兩個(gè)反向的行波，其干涉就會(huì)產(chǎn)生駐波，出現(xiàn)沿著環(huán)向的振蕩。圖2d-f展示了二能級(jí)近似(只考慮±l 能級(jí)耦合)下的計(jì)算結(jié)果，很好地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的環(huán)向態(tài)密度振蕩。嚴(yán)格對(duì)角化的計(jì)算結(jié)果如圖2g-i所示，計(jì)算得到的磁通半徑和振蕩次數(shù)定量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
圖1.(a)磁通束縛態(tài)能級(jí)示意圖。(b-d)常規(guī)磁通附近的局域態(tài)密度隨能量變化的計(jì)算結(jié)果。(e-g)KCa2Fe4As4F2上測(cè)量到的磁通附近的局域態(tài)密度。
圖2.(a-c)實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的項(xiàng)鏈狀磁通態(tài)。(d-f)二能級(jí)近似的計(jì)算結(jié)果。(g-i)嚴(yán)格對(duì)角化的計(jì)算結(jié)果。
雖然項(xiàng)鏈狀磁通態(tài)是第一次被觀測(cè)到，以前的所有理論也沒有預(yù)言這種新的磁通態(tài)，但它并非一種偶然現(xiàn)象，理論上講應(yīng)該普遍存在于第二類超導(dǎo)體中的。要清晰觀察到這種項(xiàng)鏈狀磁通態(tài)材料的費(fèi)米波矢kF、雜質(zhì)分布密度和散射勢(shì)強(qiáng)度要滿足一些條件：首先，kF必須比較小，相應(yīng)的環(huán)向振蕩周期（也稱準(zhǔn)粒子波長(zhǎng)）π/kF才比較大，當(dāng)對(duì)應(yīng)一定能量的態(tài)密度環(huán)的周長(zhǎng)是此波長(zhǎng)的幾倍到十幾倍的時(shí)候，此振蕩才在實(shí)驗(yàn)上分辨出來。通常超導(dǎo)體的費(fèi)米能非常大，準(zhǔn)粒子波長(zhǎng)非常小，因此在態(tài)密度環(huán)上面的振蕩可達(dá)幾百甚至上千個(gè)，所以無法觀測(cè)到。只有在費(fèi)米能很小和雜質(zhì)密度和散射勢(shì)大小都比較合適時(shí)，才有利于項(xiàng)鏈狀磁通的觀測(cè)。這種全新型磁通態(tài)的觀測(cè)將有利于人們對(duì)于非常規(guī)超導(dǎo)凝聚體的深入理解，并推動(dòng)這個(gè)方面的研究。
文章于2025年2月7日以“Necklacelike pattern of vortex bound states”為題發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)的雜志Physical Review X上[Phys.Rev.X 15, 011027 (2025)]。南京大學(xué)博士生侯智勇、陳凱倫、北京大學(xué)博士后洪文山和南京大學(xué)王達(dá)副教授為論文共同第一作者，南京大學(xué)楊歡教授、王強(qiáng)華教授和聞?；⒔淌跒楣餐ㄓ嵶髡?。此工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金委、教育部雙一流學(xué)科建設(shè)、固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、2011計(jì)劃“人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”、江蘇省物理科學(xué)研究中心的支持，在此表示感謝。
文章鏈接：
Zhiyong Hou, Kailun Chen, Wenshan Hong, Da Wang, Wen Duan, Huan Yang, Shiliang Li, Huiqian Luo, Qiang-Hua Wang, Tao Xiang, and Hai-Hu Wen. Necklacelike Pattern of Vortex Bound States. Phys. Rev. X 15, 011027 (2025). https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.15.011027.
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