具有时间反演对称破缺且无能隙节点的超导配对态研究

Unconventional superconductors exhibit the breaking of additional symmetries. Recently, some weakly correlated materials with superconducting properties similar to s-wave superconductors were found to have broken time reversal symmetry in the superconducting state. The properties of these compounds are rather different from the previously discovered time reversal symmetry breaking superconductors, and their pairing states and underlying mechanisms are not yet clarified. In this project, we are going to study the following aspects of these new phenomena: (1) Expanding the number of superconductors known to break time reversal symmetry using methods such as muon-spin relaxation to explore potential candidates for new time reversal symmetry breaking materials. (2) Using both muon-spin rotation and the tunnel diode oscillator based method to study the temperature dependence of the penetration depth. In combination with other measurements, the superconducting gap structure and symmetry of the order parameter will be determined. (3) Studying the band structure and characterizing the underlying electronic state and any other phases. These will be examined upon adjusting tuning parameters such as pressure, which will allow for the development of microscopic models of the pairing state. This project aims to explore the origin of the time reversal symmetry breaking in superconductors, study the influence of time reversal symmetry breaking on the superconducting state and its universality, and to further reveal the pairing mechanism of this new class of superconductors.

非常规超导常伴随着一些额外的对称性破缺。最近，一些弱关联电子材料表现出类s-波超导的特性，同时又在超导态内出现时间反演对称性破坏。这些性质不同于先前发现的具有时间反演对称性破缺的超导，其超导配对态和配对机理尚不清楚。在本项目中，我们将从如下几个方面对这一新现象进行系统研究：（1）拓展材料体系，利用缪子自旋弛豫等实验方法探索潜在材料中的时间反演对称破缺；（2）综合运用缪子自旋弛豫法和隧道二极管共振技术，精确测量磁场穿透深度随温度的变化关系，并结合其他热力学测量，确定这类材料的超导能隙结构和序参量的对称性；（3）研究其电子能带结构，探索这些材料在压力等参量调控下可能出现的电磁有序相，为研究超导配对态的微观机制提供实验基础。该项目旨在探索这类超导材料中时间反演对称性破缺的物理起源，研究时间反演对称破缺对超导态的影响以及此类现象的普适性，从而进一步揭示这类新型超导材料的配对机制。

超导态中的时间反演对称性破缺过去一直被认为是非常规超导的一个重要特征。近年来时间反演对称性破缺不断地在弱关联超导中被发现，然而在其它方面它们又均表现为与常规超导类似的行为，这背后的物理机制尚不清楚。特别地，在非中心对称超导材料中晶格的中心对称缺失与超导态中的时间反演对称性破缺间的关系是人们目前关注的问题之一。本项目旨在研究此类超导体中时间反演对称性破缺的起源及超导序参量的性质。我们主要利用零场缪子自旋弛豫技术来探测由时间反演对称性破缺产生的自发磁场,以及横场缪子自旋旋转技术和基于隧道二极管共振的方法来测量磁场穿透深度并确定超导能隙结构，从而对一系列超导体系开展了课题研究。对中心对称超导Lu5-xRh6Sn18+x的穿透深度测量和电子结构计算否定了先前的时间反演对称性破缺的自旋三重态配对的结论。另一方面，部分四方非中心对称超导的时间反演对称性破缺可由反对称非幺正自旋三重态模型解释，我们的相关研究将该理论解释推广到具有外尔线节点的材料家族。此外我们还发现了一种新的非中心对称超导CaPtAs,研究表明该材料是弱关联材料中同时具有时间反演对称性破缺和超导能隙节点的，这一特性可以将不同种类的时间反演对称性破缺超导体联系起来。在本项目的支持下，我们在Physical Review Letters、Science China Physics，Mechanics & Astronomy、Science China Materials、npj Quantum Materials、Physical Review B等高质量科学期刊上共发表论文15篇。