铁基超导体中发现新型超导态：Cooper对密度调制态
铁基超导体中发现新型超导态：Cooper对密度调制态
2025年3月19日，加州理工大学沃森应用物理实验室联合多家研究团队在铁基超导体FeTe0.55Se0.45的剥离薄片中，首次观测到一种新型超导态——Cooper对密度调制态（Pair Density Modulation, PDM）。这一发现突破了传统超导态与密度波态的界限，为探索强关联电子系统中的交织序提供了新视角。
什么是Cooper对密度调制态(Pair Density Modulation-PDM）
PDM 是一种新型超导态，其核心特征是超导序参量（即库珀对的结合能，表现为超导能隙）在晶胞内不同原子位点之间呈现周期性调制，且调制波长与晶格常数一致。这种调制源于晶胞内对称性的破缺（如滑移镜面对称性破缺），但保留了长程晶格平移对称性，与传统密度波态（如电荷密度波CDW）的长波长调制形成鲜明对比。
PDM的关键特性如下：
1.原子级周期性调制。突破了传统超导态均匀性的认知框架，表现为超导能隙在晶胞内等效原子位点间交替变化，最大与最小能隙差异可达30%以上；调制波长严格等于晶格常数，表现为能隙在相邻铁原子位点的周期性涨落；
2.对称破缺机制指向为滑移镜面对称性破缺与向列畸变；
3.与材料维度的关联。PDM态在薄片中稳定存在，但在体材料或厚膜中消失，表明量子限域效应（如负压诱导的晶格畸变）对对称性破缺起关键作用。薄片中费米面重构（仅存空穴型口袋）为向列畸变沿次近邻方向（45°旋转）提供了条件，与体材料的电子结构显著不同；
4.鲁棒性。在强磁场或杂质存在下，PDM态仍保持稳定，表明其具有强健的量子相干性。
PDM态的实验观测
实验主体材料性质：实验中研究的材料主体为剥离的FeTe0.55Se0.45薄片，与体态相比，其电子态性质表现出明显差异性。
图1 其电子态性质与体态对比具有明显差异。
PDM态的测量：研究团队通过扫描隧道显微镜及谱学技术（STM/STS）在50纳米厚薄片中观察到超导能隙的原子级周期性调制，其波长与晶格常数一致，振幅高达平均能隙的30%。这种调制源于两个等效铁亚晶格（Fex和Feγ）的超导能隙差异：在特定区域，能隙最大值锁定于某一亚晶格，最小值则位于另一亚晶格，两者差异达32%。
图2 利用扫描隧道显微镜在剥离的FeTe0.35Se0.45薄片表面观测到的与晶格周期一致的PDM态。
PDM态的行为表现：实验表明，PDM态的稳定性与薄片制备工艺密切相关。通过机械剥离和氮化硼封装技术，研究团队成功制备出空气敏感的超薄样品，并发现剥离过程引入的“负压效应”导致晶格常数增大18%，诱导了独特的电子结构变化。与体材料不同，薄片中费米面仅包含空穴型口袋，缺失电子型口袋，这促使向列畸变（晶格方向优先取向）沿铁原子次近邻方向（45°旋转），与亚晶格对称性破缺共同驱动了PDM态的形成。
图3 通过多维度数据，完整刻画了PDM态的空间分布、对称性起源及量子相干特性。
PDM态的理论解释：理论模型进一步揭示，表面硫族原子（Se/Te）位置的不对称性破坏了滑移镜面对称性，导致铁亚晶格间的跃迁积分差异。结合向列畸变，模型成功复现了实验中观测到的局域态密度（LDOS）与超导能隙的空间调制特征。
图4 PDM态的物理起源。
这项研究的意义
这项研究开辟了二维极限下超导物理的新前沿，并为设计基于对称性破缺的量子器件奠定了理论基础。在超导物理与量子材料领域具有多重深远意义：
1.理论突破
重新定义超导序参量的空间特性。传统超导理论假设超导态在空间上是均匀的，而PDM态揭示了超导能隙可在原子尺度（晶胞内）自发调制，且无需破坏长程晶格平移对称性。这扩展了对超导序参量多样性的认知，为发展非均匀超导理论提供了关键实验依据。同时，PDM态的形成源于滑移镜面对称性破缺（晶胞内硫族原子层与铁原子层间距不对称）与向列畸变（电子态方向性有序）的协同作用，揭示了晶胞内对称性对超导态的精细调控能力。
2.交织序研究的里程碑
PDM态直接展示了超导序参量与晶胞内对称性破缺（如向列性）的强关联，为理解高温超导中多种量子序（如磁性、电荷序）的竞争与共存提供了新模型。此外，薄片样品中费米面重构（仅存空穴型口袋）与负压诱导的晶格畸变，凸显了二维限域对电子态和对称性演变的独特影响，为探索低维超导的增强机制指明方向，标志着超导物理迈向“原子级定制”时代的关键一步。
3.未来潜力与物理普适性
类似现象可能在铜氧化物、重费米子等超导体中存在，未来可通过高分辨率STM进一步验证。此外，PDM态对磁场、应变和厚度的响应特性，或成为揭示超导配对机制的关键探针。
