超越二电子库珀对凝聚的多电子超导态

　　

　　图 笼目超导体薄层环形器件中多电子凝聚超导态的实验证据

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12488201）等资助下，北京大学量子材料科学中心王健教授研究组与波士顿学院汪自强教授等合作，在笼目超导体CsV₃Sb₅薄层环形器件中发现了一种由四个电子和六个电子相干形成的多电子超导态的实验证据。这一工作是首次在实验上观测到多电子超导现象，超越了传统认为的由二个电子（库珀对）凝聚从而产生超导的配对机制，为探索和理解多费米子形成的量子物态开辟了新思路。研究成果以“笼目超导体环形器件中的电荷-4e和电荷-6e磁通量子化与多电荷超导（Charge-4e and Charge-6e Flux Quantization and Higher Charge Superconductivity in Kagome Superconductor Ring Devices）”为题，于2024年5月13日发表在《物理评论X》上，文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.021025。

　　超导是一种重要的宏观量子物态，具有零电阻、抗磁性、双电子量子化磁通（h/2e）等特性，自1911年发现以来一直受到学术界和工业界的广泛关注。无论是对于常规超导（BCS超导体）还是非常规超导（铜基、铁基高温超导体，拓扑超导体等），科学家们普遍认为超导现象都是由双电子（费米子）配对，即超导库珀对形成的。超导态是否可以由超越两个费米子的多电子凝聚构成，一直是悬而未决的谜题。相关研究不仅对于超导现象的认知具有重要的科学意义，也有望为多费米子态的研究，例如核物理中双质子和双中子构成的α粒子凝聚以及高能物理里的多夸克态等，提供新视角。尽管过去关于多电子超导凝聚态的理论工作已有报道，但是多电子超导现象一直未能被实验证实。

　　在本工作中，研究团队利用机械剥离和微纳加工的方法制备了基于层状笼目超导体CsV₃Sb₅的薄层环形器件（其中CsV₃Sb₅薄层厚度约为15-30纳米并覆盖有保护层，环形器件的内径从164纳米到1微米不等）。研究团队对其电输运性质进行了系统研究。在小尺寸环形器件中，当施加的垂直磁场抑制了超导零电阻后，研究人员观测到了电阻随外加磁场的周期性振荡，振荡周期对应于库珀对的量子磁通h/2e，表明在零电阻超导临界温度以下，CsV₃Sb₅环形器件的超导态为双电子凝聚态，即库珀对超导。当温度升高到零电阻超导转变温度以上，h/2e振荡消失，磁阻曲线中出现了一种全新的周期性振荡，其振荡周期约为低温下h/2e振荡周期的一半，对应于h/4e的量子化磁通。随着温度进一步升高（仍处于超导转变区域），研究人员观测到另一种全新的周期性振荡，其周期为h/2e振荡周期的1/3，对应于h/6e量子化磁通。在较大尺寸（微米级）环形超导器件中，随着温度从零电阻态升高到超导转变温区，量子化磁通由h/2e跳过h/4e，直接演变到h/6e。研究团队认为CsV₃Sb₅薄层环形超导器件中出现的h/4e与h/6e周期磁阻振荡源于材料中的四电子与六电子超导相干态，在升温过程中超导配对密度波或旋子超导态可能发生“熔化”，因此出现了本征的六电子束缚态超导现象。在不同尺寸的环形器件中，研究团队均观测到鲁棒的h/6e振荡，同时在常规超导体铌的环形器件的对比实验中仅观测到常规的h/2e振荡。这些系统的实验证据揭示了CsV₃Sb₅环形超导器件中观测到的h/4e和h/6e量子化磁通是本征现象。

　　本工作首次给出多电子凝聚态的直接实验证据。作为一种全新的超越二电子凝聚的物质态，四电子和六电子超导态的发现超越了长期以来传统认知中超导现象只源于两个电子构成的库珀对凝聚的图像，同时六电子凝聚超导态的发现揭示出磁通量子的分数化，拓展了分数量子化和多费米子态的新认知，这些新发现有望开辟物理领域的重要研究方向。