科学家在Kagome超导体内部发现打破时间反演对称性的磁场

科学家们日前在一个Kagome超导体中观察到了一种新型电子相的特征，这种电子相能够使电荷自发地循环流动 。通过使用超灵敏的μ子自旋光谱，研究人员在该材料内部发现了打破时间反演对称性（time-reversal symmetry）的磁场，这表明存在着寻找已久的"轨道电流"。2022年2月9日发表在《自然》杂志上的这一发现，有助于理解高温超导性和支撑下一代设备研究的量子现象。

Kagome图案是一个由交错的三角形组成的网络，在日本传统的篮子编织者和凝聚态物理学家中很有名。Kagome晶格中金属原子不寻常的几何形状以及由此产生的电子行为使其成为探究奇怪和奇妙的量子现象的乐园，这些现象构成了下一代设备研究的基础。

一个关键的例子是非常规的--如高温超导性，它不遵循传统的超导规律。大多数超导材料在开尔文几度的温度下表现出它们看似神奇的零电阻特性：这些温度对于大多数应用来说根本不切实际。表现出所谓的“高温”超导性的材料，其温度可以通过液氮冷却实现（甚至在室温下），是一个诱人的前景。寻找和合成表现出非常规超导性的新材料已成为凝聚态物理学家的“圣杯”--但要达到这一目的，需要对材料中的奇异、拓扑电子行为有更深入的了解。

长期以来，人们一直在争论一种异乎寻常的电子传输行为，这种行为导致了环状电荷的自发流动，是高温超导性的前兆，也是另一种神秘现象背后的机制：量子反常霍尔效应。邓肯·霍尔丹因在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相而在2016年获得诺贝尔物理学奖。这种拓扑效应发生在某些二维电子材料中，与即使在没有外加磁场的情况下产生的电流有关。了解量子反常霍尔效应不仅对基础物理学很重要，而且对新型电子和设备的潜在应用也很重要。现在，一个由瑞士保罗谢勒研究所（简称PSI）领导的国际合作组织已经发现了支持这种难以捉摸的电子传输行为的有力证据。

由PSI介子自旋光谱学实验室的研究人员领导的团队发现了弱的内部磁场，表明在一个相关的Kagome超导体中存在一种奇特的电荷排序。这些磁场打破了所谓的时间反演对称性，这是一种对称性，意味着无论你看一个系统的时间是向前还是向后，物理学定律都是一样的。

对打破时间反演对称性的磁场的发生的一个自然解释是一种新的电荷排序。电荷有序可以理解为通过晶格对电子密度的周期性调制，以及将原子重新排列成高阶（超晶格）结构。研究小组将他们的研究集中在Kagome晶格，KV3Sb5上，该晶格在2.5开尔文以下超导。在大约80开尔文的较高临界温度以下，在该材料中观察到一个巨大的量子反常霍尔效应，这在以前是无法解释的。在这个大约80开尔文的临界温度以下出现了奇异的电荷排序，称为“电荷排序温度”。

所发现的打破时间反演对称性的磁场意味着一种异乎寻常的电荷秩序，其中电流在Kagome晶格的单位单元周围移动，被称为“轨道电流”。这些产生的磁性由原子晶格中电子的扩展轨道运动主导。

领导该团队的通讯作者、来自PSI Muon Spin Spectroscopy实验室的Zurab Guguchia解释说：“这种现象的实验实现异常具有挑战性，因为表现出轨道电流的材料非常罕见，而且（轨道电流的）特征信号往往太弱而无法被检测到。”

虽然以前的研究显示了在超导温度以下的时间反演对称性的打破，但这是第一个时间反转对称性被电荷秩序所破坏的例子。这意味着，这种假定的异域电荷秩序属于物质的新量子阶段。

一个极具说服力的证据

为了寻找长期存在争议的“轨道电流”，物理学家们使用了高度敏感的μSR（μSR）来检测它们会产生的微弱的、提示性的磁信号。植入样品中的介子作为材料内部磁场的局部和高度敏感的磁探针，使小至0.001微波尔的磁场都能被检测到。在有内部磁场的情况下，μ介子的自旋会去极化。μ介子衰变为高能正电子，这些正电子沿着μ介子自旋的方向发射出去，并携带着当地环境中μ介子自旋极化的信息。

研究人员观察到，当温度降低到80K以下（电荷排序温度）时，磁性信号出现了系统性转变。利用PSI的世界上最先进的μSR设施，它可以应用高达9.5特斯拉的场，研究小组可以使用外部高磁场来加强微小的内部磁场的转变，并提供更有力的证据表明磁场是由内部轨道电流引起的。

“我们首先在没有外部磁场的情况下进行了实验，”Guguchia博士解释说，“当我们看到系统的转变出现在电荷排序温度以下时，我们感到非常有动力继续下去。但是当我们随后应用高场并能促进这种电子反应时，我们感到非常高兴。这是一个非常、非常有说服力的证据，证明了长期以来一直难以捉摸的东西。”

对非常规超导性和量子反常霍尔效应的更深理解

这项研究可以说提供了最有力的证据，证明长期争论不休的“轨道电流”确实存在于Kagome材料KV3Sb5中。理论表明，量子反常霍尔效应起源于“轨道电流”。因此，在一些表现出奇大的量子反常霍尔效应的非常规超导体中都提出了“轨道电流”；即石墨烯、铜酸盐和Kagome晶格，但直到现在还没有实际证据证明它们的存在。

打破时间反演对称性的磁场的发现，意味着轨道电流--以及产生它们的奇特电荷排序，为物理学和下一代设备研究的奇异途径打开了大门。轨道电流被认为在包括高温超导在内的各种非常规传输现象的机制中发挥着基本作用，其应用范围包括电力传输和MAGLEV列车。轨道电流的概念也构成了轨道电子学的基础--这是一个利用轨道自由度作为固态设备的信息载体的领域。