Heterogeneous superconductivity emerging from a charge-stripe state in kagome lattices

在材料科学领域，电子通常遵循一种可预测的剧本。它们像河流中的水一样在金属中流动，或者成对结合并以完美的同步步调移动，从而产生超导性——这是一种电流无电阻流动的状态。几十年来，物理学家一直认为超导性与另一种被称为电荷密度波的电子态是天生的敌人。电荷密度波是一种电子排列成静态涟漪并冻结成刚性结构的模式。旧的规则很简单：如果电子忙于形成这些涟漪，它们就无法配对实现超导，反之亦然。它们在竞争相同的电子，而其中一种秩序通常会胜出，将另一种秩序挤出。然而，近期的发现表明，自然界比这种简单的竞争关系更为复杂。在某些材料中，这两种状态可以共存，它们的相互作用可以创造出全新的、意想不到的行为，挑战我们对物质在量子层面如何运作的理解。

研究人员现在在一种被称为笼目超导体（kagome superconductors）的晶体家族中发现了这种复杂性的一个引人注目的例子。这些材料因其内部结构类似于由三角形编织而成的篮子图案而得名。通过精确地添加少量的锡原子来替换晶体中部分锑原子，由中国科学技术大学研究人员领导的一个团队观察到，材料的行为发生了剧烈转变。他们发现，当晶体进入一种电子形成短程条纹状模式的特定相位时，超导性并不仅仅是均匀地消失或减弱。相反，它变成了一种“补丁式”的状态。在这种状态下，超导性在微小的、孤立的岛屿中显现，这些岛屿不断生长并最终连接起来，形成贯穿整个材料的路径，而大量的电子即使在超导态深处仍保持未配对的常态。

这一发现之旅始于生长高质量的材料晶体——一种名为 $\text{CsV}_3\text{Sb}_5$ 的化合物，并系统地用少量的锡替换其中的部分原子。科学家们绘制了随着增加锡含量，材料如何发生变化的图谱。他们发现，在一个非常特定的点上，当大约 7% 的锑原子被交换后，电子模式发生了突变。在此点之前，电子在整个晶体中形成一种大规模的重复模式；就在此点之后，这种模式分解成了短小的、局域化的条纹。与此同时，材料进入超导态的温度急剧下降。但最令人惊讶的发现不仅是温度的下降，还有超导性在这种新条纹相位中的奇异表现方式。

当科学家们测量这些条纹相位样品的电阻和磁学性质时，他们看到了明显的失配。材料在实际开始无电阻导电之前，就已表现出超导迹象（例如排斥磁场）。这一差距表明，超导现象并非同时发生在所有地方。相反，微小的超导区域很早就形成了，漂浮在常态金属的海洋中。随着温度进一步降低，这些“小池”不断扩大并最终连接在一起，就像岛屿合并成大陆一样，使得电流能够自由地流过整个样品。这种被称为“渗透”（percolation）的过程解释了为什么转变过程如此宽泛，以及为什么材料的行为取决于电流是如何推动的。

为了直接观察到这种补丁状结构，研究人员使用了一种强大的显微镜——扫描隧道显微镜，它可以成像单个原子并测量特定位置的电子能量。他们发现，超导能隙（即电子锁定成对的能量范围）在晶体表面的不同位置存在显著差异。在某些区域，能隙很大且定义明确；在另一些区域，能隙较小且模糊。至关重要的是，这种变化与锡原子的分布并不匹配。锡原子分布得很均匀，因此这种超导性的不均匀性并非由杂质本身引起的。相反，这种变化与短程电子条纹有关。显微镜显示，电子受到这些条纹的散射，从而在某些区域破坏了超导对，创造了一个强弱交替的超导景观。

这个状态中最令人困惑的方面在于，即使在材料处于超导态时，仍存在大量的未配对电子，即“常态流体”。在典型的超导体中，几乎所有电子在某一温度以下都会配对。然而，在这里，测量结果显示，即使在最低温度下，仍有相当大比例的电子（根据样品不同，约为三分之一到三分之二）保持未配对且活跃的状态。这些未配对电子并非随机的残留物；它们集中在材料电子结构中的特定路径上，这些路径直接与条纹模式相关联。研究人员得出结论，短程条纹充当了强散射源，以一种在常规超导体中是被禁止的方式破坏了电子对，而这是更奇异类型的配对（即电子波函数的符号发生改变）的标志。

该研究排除了几种更简单的解释。这种不均匀的超导性并非由锡原子的聚集或晶格应变引起，因为锡的分布是均匀的，且当条纹模式消失时，该效应也随之消失。它也不是材料简单地分离成超导体和金属两种截然不同的相。相反，证据指向一种单一且统一的状态，在这种状态下，由于与电荷条纹的相互作用，超导性本质上是脆弱且具有空间差异性的。这一发现表明，这些笼目材料中的电子是以一种复杂的、非传统的形式进行配对的，可能涉及量子波函数符号的变化，这使得它们对条纹的存在高度敏感。

这项工作为观察一种超导性与电荷有序态不仅存在竞争，而且通过协作创造出异质、补丁式现实的状态提供了罕见的视角。它挑战了长期以来认为超导必须是均匀且“全或无”状态的观点，并表明在适当条件下，超导可以作为一系列连接的岛屿出现。通过在一种相对简单且易于理解的材料中识别出这种独特行为，研究人员为探索非常规超导性开辟了新的窗口。他们的结果表明，不同电子有序态之间的相互作用可以导致丰富且意想不到的现象，为探索支配电子如何配对及无电阻流动的基本机制提供了一个新的平台。