2024-04-08 | 科研部 南科大黄文课题组对Sr₂RuO₄非常规超导电性的理论研究获新进展

近日，我校量子科学与工程研究院副研究员黄文课题组在Sr₂RuO₄非常规超导电性的理论研究方面取得新进展，提出了该超导体中由量子几何效应诱导本征Kerr效应的新机理。相关研究成果以“Quantum-geometry-induced anomalous Hall effect in nonunitary superconductors and application to Sr₂RuO₄”为题发表在Physical Review Letters上。

Sr₂RuO₄非常规超导电性问题是长期萦绕在超导研究领域上空的一团迷雾。经过30多年的探索，至今没有任何一种超导序参量能完整解释该材料所有重要的实验现象。该材料有一重要的特征是存在多轨道超导。在多轨道体系中，即使在无相互作用极限下，各能带上的Bloch电子也并非简单的相互独立的粒子。实际上，一个能带上Bloch的电子输运与其它能带上的电子输运存在由Bloch态之间的非阿贝尔贝里联络（non-Abelian Berry connection）来刻画的量子关联。这种关联是量子几何效应的根源。

图：Sr₂RuO₄超导态本征Kerr效应形成的两个必要条件，即非幺正库珀配对以及含自旋轨道耦合的量子几何效应。上图：非幺正配对的特征是自旋向上电子之间形成的配对与自旋向下电子之间的配对强度不一样。下图：多带体系中由带间速度刻画的布洛赫电子的量子几何性质。

本研究揭示了量子几何在Sr₂RuO₄中发挥的重要作用，通过阐明这种材料中观察到的极化Kerr效应的起源，缩小了其超导配对对称性的可能范围。极化Kerr效应是确定该超导体性质的重要实验之一，与其反常霍尔响应密切相关。先前研究发现的引起这种效应的多种机制，或需要存在杂质散射等外在因素，或需要借助于物理上不切实际的带间配对。此项研究表明，借助于含自旋轨道耦合的量子几何效应，一些特殊的超导态可以在无带间配对的情况下产生本征Kerr效应。这些超导态的特征是自旋向上电子间的配对与自旋向下电子间配对强度不相等，通常称为非幺正配对（nonunitary pairing）。在Sr₂RuO₄晶体对称性的限制下，只有两种非幺正配对态能引起本征Kerr效应，即三维手征p波（3D chiral p-wave），以及混合螺旋p波（mixed helical p-wave）。这为最终确定Sr₂RuO₄的超导对称性带来了新的启示。巧合的是，黄文课题组与合作者之前在另两个工作中已分别从其它角度探讨过这两种新奇的超导态的性质[PRL 121, 157002 (2018); PRR 3, L042002 (2021)]。

该论文共同第一作者分别为香港科技大学博士后张嘉龙与南方科技大学量子科学与工程研究院博士后陈伟鹏，黄文为论文通讯作者，南方科技大学为唯一通讯单位。共同完成本项研究工作的还包括南方科技大学量子科学与工程研究院研究生刘昊天，河南省科学院量子材料与物理研究所、中国科学院大学卡弗里理论科学研究所李宇博士，美国芝加哥大学王志强博士。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省重点实验室、深圳市孔雀团队、南方科技大学量子科学与工程研究院的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.136001

供稿：量子科学与工程研究院

通讯员：董元浩

主图：丘妍

编辑：任奕霏