四电子电荷超导电性 | 前沿快讯No.3
编者按
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二维和三维向列相超导体中的四电子电荷超导电性
与100年前发现的传统二电子电荷超导电性不同，四电子电荷超导电性具有基本电子电荷的四重凝聚特征，其标志为hc/4e的磁通量子化周期，是常规磁通量子的一半。相较于可以由BCS理论描述常规超导体，四电子电荷超导不仅不服从任何BCS理论，同时也由于缺乏实验证实，它的一些特性依然成谜。前期研究表明，四电子电荷超导可以作为配对密度波超导体转变温度以上的退化长程序存在，其序参量在实空间中周期性变化。由于提供了非平庸的拓扑位错，配对密度波中平移对称性的破缺是实现四电子电荷超导的关键。如果位错随着温度升高迅速增加，平衡态会通过对二电子电荷凝聚的加倍来恢复平移对称性，从而实现四电子电荷超导。
清华大学姚宏团队与马里兰大学Shao-Kai Jian合作，从理论上证明了在时间反演不变的向列相超导体中，四电子电荷相可以在向列超导转变温度之上作为退化序出现。一方面，当向列相刚度小于超流体刚度时，非平庸的拓扑缺陷——向列相涡旋，在能量上更优于超导相涡旋，因此随着温度升高，向列相涡旋急速增多，四电子电荷相出现。另一方面，向列相超导体的金兹堡朗道理论中包含四电子电荷序和向列序这两个完全脱耦的通道，通过分析四电子电荷序和向列序有效质量的竞争，发现存在具有一定尺度的更倾向于出现四电子电荷序的区域。以上分析共同说明向列相超导体很可能实现四电子电荷超导相。
相关研究成果以Charge-4e Superconductivity from Nematic Superconductors in Two and Three Dimensions为题，发表在发《物理评论快报》 Physical Review Letters 127, 227001 (2021)上。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.227001
2
固体中高谐波产生的惠更斯-菲涅耳图像
波动性和粒子性是基本粒子的基础物性，德布罗意于1921年提出了波粒二象性，给出自然界的粒子同时具有波动性和粒子性。在阿秒物理中，高谐波产生一般由激光诱导的粒子性电子的回旋碰撞描述，是阿秒物理学研究的核心，同时催生了大量的阿秒光谱测量方法。
华中科技大学武汉光电国家研究中心陆培祥团队证明了电子的波动性特征在固体高谐波产生中起着重要的作用。通过与惠更斯-菲涅耳原理的类比，利用小波稳相方法提出了一种对固体高谐波产生的电子波动视角。从这个视角，本文解释了粒子性电子的回旋碰撞模型预测的截止定律与半导体布洛赫方程数值模拟之间的偏差。此外，利用考虑电子波动性质的方法，可以很好地预测高谐波产生的发射时间。相比之下，使用粒子性电子的回旋碰撞模型预测与半导体布洛赫方程模拟显示出明显的偏差。双色场中的高谐波产生同样也可以揭示电子运动的波动特性。
相关研究成果以Huygens-Fresnel Picture for High Harmonic Generation in Solids为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 127, 223201 (2021)上。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.223201
3
潜在量子自旋液体材料Cu3Zn(OH)6FBr中低能激发的非局域效应
寻找量子自旋液体材料是凝聚态物理和量子材料研究的重要课题之一，但实验上很难实现。量子自旋液体是一个具有反常高纠缠度的量子顺磁体，特征是具有非局域性的分数激发。虽然非局域效应非常重要，但在实验中很难观测，因为大多数实验只能测量对称破缺和局域性事件，从而间接观测量子自旋液体的物性。
中国科学院物理研究所李世亮、石友国团队与中国矿业大学王艳成团队合作，系统研究了二维笼目状反铁磁材料Cu3Zn(OH)6FBr的低温比热行为，发现比热在低温下表现出温度的1.7次方行为，在较高温度出现肩峰特征。理论上构建出Z2量子自选液体的微观晶格模型，采用大尺度蒙特卡洛模拟表明上述比热特征由具有能隙的任意子和磁性杂质引起。同时惊奇地发现尽管该体系在最低温下是顺磁性的，与肩峰特征相关的熵可以随着晶粒尺寸的增大迅速减小。这种现象可以简单的用一种核壳图像来解释——壳层内部的贡献在表面附近消失，而5.9nm厚的壳层可以排除任何其他可能。如此大的长度尺度表明与超导体皮帕德相干长度类似，这种量子自旋液体候选材料中存在量子纠缠激发的非定域性的相干长度，为具有拓扑序材料中难以理解的量子态提供了新的实验探针。
相关研究成果以Nonlocal Effects of Low-Energy Excitations in Quantum-Spin-Liquid Candidate Cu3Zn(OH)6FBr为题，发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 38 097501 (2021)上。
原文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/38/9/097501
编译：不言
排版：不言
美编：农民
责编：理趣
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