超导能隙对称性是理解超导微观机制的基础。超导能隙对称性的完全确定需要测量超导能隙的大小以及相位。对于传统的s波超导体，整个费米面上的超导能隙基本上大小相等，符号相同。对于非常规超导体，不同费米面之间或者同一费米面上不同区域的超导能隙大小和符号可以不同，如d波超导体费米面上超导能隙大小具有强烈的各向异性，费米面不同部分具有相反的超导能隙符号。铜氧化物高温超导体是非常规超导体的代表体系，虽然其超导机理仍然不清楚，但其d波超导配对对称性得到了广泛认可。角分辨光电子能谱技术（ARPES）由于具有独特的动量分辨能力，可以测量超导能隙大小在动量空间中的分布，在铜氧化物超导体d波超导能隙对称性的确立中发挥了重要作用。长期以来，角分辨光电子能谱技术一直被认为只能测量超导能隙的大小，不能测量能隙的符号。铜氧化物超导体的超导能隙相位是由基于约瑟夫森效应的相位敏感实验才确定的。然而此类相位敏感实验方法很难推广到具有多重费米面的非常规超导体，如铁基超导体和重费米子超导体等。寻找更有效的超导能隙符号探测方法对研究非常规超导电性具有极其重要的意义。
中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC7组的博士生高强、艾平和刘静（都已毕业），在周兴江研究员和赵林副研究员的指导下，与理论室向涛研究员，韩国Pohang科技大学Jin Mo Bok博士以及韩国SungKyunKwan大学Han-Yong Choi教授等合作，提出了一种基于角分辨光电子能谱技术探测超导能隙符号的新方法。该方法在d波铜氧化物超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi2212）的高分辨角分辨光电子能谱测量中得到了验证，并能够广泛应用到其它非常规超导体中。
该工作提出，在动量空间中简并或相近的两个能带，当具有较强的相互作用时，其超导态的电子结构高度依赖于两能带相对的超导能隙符号，主要体现在费米动量的移动、Bogoliubov能带的杂化以及超导能隙的打开（图1）。Bi2212晶体结构具有非公度调制，导致电子结构会存在能带的折叠行为，除了主能带外会产生超结构能带。其主能带和超结构能带在第二象限相交并存在相互作用，导致超导态出现选择性能带杂化（图2）[Physical Review B 101, 014513 (2020)]。按照d波超导能隙的动量分布，在交点附近，主能带和超结构能带的超导能隙大小接近，符号相反。理论模拟显示，两能带之间的超导能隙符号相反会导致出现强烈的Bogoliubov能带杂化，并展现出不寻常的动量演化行为（图2h、图3e），这与能隙同号的情况下完全不同（图2i、图3g）。实验观测的该动量区域Bogoliubov能带杂化行为（图2d）及其随动量的演化（图3b）与理论模拟的两能带之间超导能隙符号相反的情形高度吻合（图2h、图3e）。通过测量杂化后的费米面上超导能隙的动量依赖关系，该工作发现在费米面相交区域出现了新的能隙节点和奇异的能隙动量演化，并能够用提出的模型统一解释，进一步验证了相关的两个能带具有相反的超导能隙符号（图4）。
该工作首次提出并验证了使用角分辨光电子能谱探测超导能隙符号的方法，该方法能够推广到其它非常规超导体，特别是如铁基超导体的多带多费米面超导体系，使得角分辨光电子能谱技术能够同时测量超导能隙的大小和符号，在完全确定超导配对对称性和理解非常规超导微观机理中发挥重要作用。同时，该工作首次发现具有相反超导能隙符号的能带间杂化可以导致奇异的电子结构，例如出现新的能隙节点以及粒子空穴对称性破缺等，丰富了对非常规超导体的认识。
相关研究成果发表在近期的Nature Communications上。上述科研工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划和中国科学院先导B项目等基金的资助。
相关工作链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48610-9
图1：利用Bogoliubov能带杂化测量两个能带之间相对超导能隙符号的新方法
图2：d波超导体Bi2212第二象限中能带间相反的超导能隙符号导致异常的能带杂化
图3：超导能隙符号相反在Bogoliubov能带杂化随动量演化中的体现。
图4：超导能隙符号相反在奇异的超导能隙动量依赖关系中的体现。