南京大学项链状超导磁通态被发现——南京大学物理学院和中国科学院物理研究所合作完成

当磁场进入第二类超导体的时候，会形成量子化的磁通涡旋，每一根磁通涡旋的磁通量是Φ₀=h/2e=2.07*10^-15韦伯。 超导态的准粒子会受到磁通涡旋电流的约束，形成磁通束缚态，其能级是分立的(如图1a所示)；在通常情况下，磁通束缚态会表现为具有旋转对称性的环状态密度分布，且环的半径随着能量的增加而增大(图1b-d)。最近，南京大学物理学院闻海虎、杨欢团队与王强华、王达团队，中国科学院物理研究所向涛、罗会仟和李世亮团队合作，利用扫描隧道显微镜在铁基超导体KCa₂Fe₄As₄F₂中发现了一种全新的项链状磁通态，其态密度在环向上出现了周期约为π/k_F的振荡(图1e-g)，他们把这种全新的磁通态称为项链状磁通态。通过理论计算，他们发现这种现象是准粒子与杂质散射的结果：杂质散射会诱导具有角动量相反的两种准粒子束缚态之间的相干，从而形成类似驻波的空间振荡。

该工作报道了一种全新的磁通束缚态，为理解超导准粒子的本质和磁通的性质提供了重要新线索。

图1a展示了理论预期的磁通束缚态能级示意图，具有相反角动量(±l)的束缚态波函数在空间上重合，当杂质引起束缚态之间散射时，它们之间的干涉会起到重要的作用。相反的角动量意味着这两个态可以看作是两个反向的行波，其干涉就会产生驻波，出现沿着环向的振荡。图2d-f展示了二能级近似(只考虑±l 能级耦合)下的计算结果，很好地再现了实验中观察到的环向态密度振荡。严格对角化的计算结果如图2g-i所示，计算得到的磁通半径和振荡次数定量与实验结果相符。

图1.(a)磁通束缚态能级示意图。(b-d)常规磁通附近的局域态密度随能量变化的计算结果。(e-g)KCa₂Fe₄As₄F₂上测量到的磁通附近的局域态密度。

图2.(a-c)实验测量到的项链状磁通态。(d-f)二能级近似的计算结果。(g-i)严格对角化的计算结果。

虽然项链状磁通态是第一次被观测到，以前的所有理论也没有预言这种新的磁通态，但它并非一种偶然现象，理论上讲应该普遍存在于第二类超导体中的。要清晰观察到这种项链状磁通态材料的费米波矢k_F、杂质分布密度和散射势强度要满足一些条件：首先，k_F必须比较小，相应的环向振荡周期（也称准粒子波长）π/k_F才比较大，当对应一定能量的态密度环的周长是此波长的几倍到十几倍的时候，此振荡才在实验上分辨出来。通常超导体的费米能非常大，准粒子波长非常小，因此在态密度环上面的振荡可达几百甚至上千个，所以无法观测到。只有在费米能很小和杂质密度和散射势大小都比较合适时，才有利于项链状磁通的观测。这种全新型磁通态的观测将有利于人们对于非常规超导凝聚体的深入理解，并推动这个方面的研究。

文章于2025年2月7日以“Necklacelike pattern of vortex bound states”为题发表在美国物理学会的杂志Physical Review X上[Phys.Rev.X 15, 011027 (2025)]。南京大学博士生侯智勇、陈凯伦、北京大学博士后洪文山和南京大学王达副教授为论文共同第一作者，南京大学杨欢教授、王强华教授和闻海虎教授为共同通讯作者。此工作得到国家重点研发计划、自然科学基金委、教育部双一流学科建设、固体微结构物理全国重点实验室、2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”、江苏省物理科学研究中心的支持，在此表示感谢。

文章链接：

Zhiyong Hou, Kailun Chen, Wenshan Hong, Da Wang, Wen Duan, Huan Yang, Shiliang Li, Huiqian Luo, Qiang-Hua Wang, Tao Xiang, and Hai-Hu Wen. Necklacelike Pattern of Vortex Bound States. Phys. Rev. X 15, 011027 (2025). https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.15.011027.