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研究背景

Sr?RuO?是一種典型的非常規超導材料，自1994年首次發現超導性以來，因其特殊的超導性質成為了研究的熱點。特別是它的自旋三重態超導性假設，曾一度被認為可能攜帶自旋和電荷超電流，然而這一假設在2019年被推翻。盡管經歷了多年的研究，Sr?RuO?的超導對稱性仍未得到明確的解決，這為科學家們帶來了巨大的挑戰。該材料的超導狀態對雜質極其敏感，且具有強烈的電子關聯效應，展現出與傳統超導材料截然不同的性質。Sr?RuO?的電子結構非常復雜，包括強自旋軌道耦合、多重軌道參與的超導狀態等特點。此外，盡管該材料在高質量單晶的生長和實驗上取得了很大進展，但至今仍無法得出其超導機制的統一結論。

成果簡介

鑒于此，日本京都大學Y. Maeno, A. Ikeda & G. Mattoni三個人在Nature Physics期刊上發表了題為“Thirty years of puzzling superconductivity in Sr2RuO4”的最新評述。研究人員通過不同實驗手段對Sr?RuO?的超導對稱性進行了多方位的探討。例如，2019年的研究表明，原本支持自旋三重態配對的核磁共振（NMR）結果由于樣品加熱效應的影響被證明是錯誤的，這一發現促使超導自旋狀態的理解發生了轉變。當前，科學界對Sr?RuO?超導對稱性的主要爭議集中在時間反轉對稱性是否被打破，以及超導能隙是否存在水平節點等問題上。研究人員正在通過更細致的實驗，力求最終解決這些爭議，揭示Sr?RuO?的真實超導機制。

研究亮點

1. 實驗在Sr2RuO4中發現了超導性，并確定其超導轉變溫度Tc約為1.5K。

2. 研究通過多種實驗方法（如角分辨光電子能譜、核磁共振等）揭示了Sr2RuO4的強電子相關性、適度的自旋軌道耦合以及超導態涉及多個電子軌道等特征。盡管如此，超導對稱性仍然存在爭議，實驗結果并未達成一致。

3. 通過高質量單晶的生長和實驗數據的高重復性，進一步確認了Sr2RuO4作為一個典型的量子材料，超導特性存在獨特的復雜性。研究提出，超導對稱性可能涉及破缺時間反演對稱性（TRS）和是否存在水平線節點等問題，進一步加劇了爭論。

4. 實驗通過NMR和中子極化實驗發現，超導配對可能是自旋單重態，而非原先猜測的自旋三重態，這一結論導致了對超導對稱性的重新評估。

圖文解讀

圖1: 利用區熔法floating-zone的Sr2RuO4晶體生長。

圖2: Sr2RuO4超導對稱性。

圖3:Sr2RuO4的軌道間配對狀態。

結論展望

本文通過深入探討Sr2RuO4超導體的不同應變實驗結果，揭示了在理解這種非常規超導體時的挑戰與復雜性。實驗中的兩個主要爭議點——Tc與應變的關系曲線的拐點缺失，以及平面內和垂直平面壓縮應變下Tc變化斜率的差異——為我們提供了寶貴的科學啟示。

首先，超導狀態的微觀機制仍然未解，甚至一些經典實驗技術得出的結果也需不斷修正，這表明在探索非常規超導體的過程中，傳統的思路和實驗方法可能需要與時俱進。

其次，不同實驗方法和技術的結合，有助于更全面地理解超導相行為，例如超聲波實驗和單軸應變實驗的比較，這啟示我們在研究復雜材料時應避免單一視角，而應嘗試多方位的交叉驗證。

最終，Sr2RuO4的研究提醒我們，科學進步往往需要通過不斷的修正和創新，放棄已有的固有認知，才能破解復雜系統的秘密。這對于超導研究以及更廣泛的凝聚態物理領域都具有深遠意義。

文獻信息

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

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