重费米子超导体CeSb2中的铁磁梯子磁激发
Fig.1. (a) CeSb2的晶体结构，实线为主导的铁磁相互作用，这些铁磁相互作用形成如（b）所示的跨越Ce原子层的自旋梯子。 (c) CeSb2在[H,K,-1]面内的非弹性中子散射数据，其中条纹状的散射信号揭示磁激发具有显著的准一维性。
针对超导体的研究已逾百年，这类材料不仅在磁共振成像、磁悬浮交通、电力传输以及量子计算等方面有着广泛的应用潜力，其中蕴含的量子多体物理至今仍然推动着凝聚态物理的发展。超导现象产生的机制是材料中的电子两两配对，形成可以在晶格中无障碍移动的库珀对，从而实现零电阻。近70年前提出的Bardeen-Cooper-Schrieffer （BCS）超导理论认为库珀对的产生源自晶体中的电声耦合，并很好的解释了许多超导体的特性。这些能被BCS理论解释的超导体被称为常规超导体，而重费米子金属、铜氧化物等超越BCS理论的超导体被称为非常规超导体。非常规超导体中诱导电子配对的不是电声耦合，而可能是具有极高能量尺度的反铁磁相互作用，为实现高温乃至室温超导带来了希望。
然而，这些由反铁磁涨落驱动的非常规超导和常规超导一样，其中的库珀对通常由自旋反向的电子构成，为自旋单态超导。近年来，人们对具有同向自旋排布的超导，即自旋三重态超导，产生了浓厚的兴趣。这是因为自旋三重态超导体是拓扑超导体的重要候选体系，而后者在实现拓扑量子计算中具有潜在的应用。相比于由反铁磁相互作用驱动的自旋单态非常规超导不同，理论研究表明自旋三重态超导可能由铁磁相互作用驱动，而铁磁性与自旋三重态超导间的联系也是当前超导研究中的重要问题。
重费米子超导体为探索自旋三重态超导提供了一片沃土，其中一些邻近铁磁非稳态的铀基超导体（UTe2、UPt3等）展现了如超导上临界磁场远超泡利极限的自旋三重态超导特征。近年来，人们发现常压下的CeSb2在15 K以下形成复杂的磁序，而在3 GPa的压力下（约30000个大气压）磁相变消失，取而代之出现了超导电性。虽然CeSb2的超导具有远超泡利极限的上临界场，但由于其邻近的磁序并非铁磁序而是反铁磁序，因此CeSb₂是否是自旋三重态超导候选材料、其中的磁相互作用与超导有怎样的联系等问题尚不明确。
最近，浙江大学关联物质研究中心袁辉球教授领衔的研究团队成员Michael Smidman长聘副教授、宋宇研究员和汪臻涛研究员与英国ISIS中子与缪子源合作，利用非弹性中子散射对CeSb2常压下的磁激发开展了细致研究，并对其中磁性与超导的联系进行了探讨。研究表明，尽管CeSb2具有复杂的磁序，但其主导的磁相互作用是铁磁的，且具有显著的准一维特性（图1）。对数据的细致分析揭示CeSb2中主要的磁相互作用形成自旋梯子（图1），而梯子间可能存在弱得多且较复杂的次要相互作用。这些次要相互作用可导致铁磁梯子间形成反铁磁排布，从而在铁磁相互作用主导的情况下实现反铁磁序。在磁相变温度之上的中子散射测量表明，这种铁磁梯子激发可以持续至磁序消失的顺磁态。因此，这些铁磁激发也可能持续至压力下磁序被抑制处，并驱动超导的产生。这意味着CeSb2压力下的超导态可能是自旋三重态超导，并能很自然的解释其远超泡利极限的上临界场。
该论文的第一作者为浙江大学物理学院的单兆洋，通讯作者包括浙江大学物理学院的Michael Smidman长聘副教授、宋宇研究员和汪臻涛研究员，合作者包括浙江大学物理学院的刘育研究员、袁辉球教授、焦杨杰、郭家余、王一帆、吴晋宇、张加文、张亚楠、苏大钧，英国ISIS中子与缪子源的Devashibhai T. Adroja、Christian Balz、Matthias Gutmann。该项工作受到了国家科技部、浙江省科技厅、国家自然科学基金委的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116704
