相变是自然界中普遍存在的一个物理过程，相变的发生通常会伴随着系统中某种对称性的破缺。当一个材料进入超导态时，其规范对称性破缺，内部电子形成相干的库伯电子对，从而导致电阻的消失。对于目前受到广泛关注的非常规超导材料，如铜氧化合物高温超导体和重费米子超导体等，除了规范对称性破缺外，系统通常还表现出其他对称性破缺。

LaNiC2和LaNiGa2是一类具有正交晶体结构的超导材料：LaNiC2的晶体结构缺乏中心反演对称，而LaNiGa2则是中心对称材料。最近的mSR实验表明，LaNiC2和LaNiGa2在超导转变温度以下产生自发磁场，表现出时间反演对称性破缺。对于常规的超导材料而言，动量和自旋相反的两个电子形成库伯电子对，电子的自旋磁矩相互抵消，超导与磁互不相容。LaNiC2和LaNiGa2中的时间反演对称性破缺表明这类材料应该具有非常规的超导性质。由于这两个材料的晶体对称性都比较低，理论分析表明，只有非幺正的自旋三重态才能与实验上观察到的时间反演对称性破缺相吻合。然而，先前的实验证据表明，LaNiC2和LaNiGa2的正常态表现出简单金属行为，且其超导态呈现出一些常规s-波超导的特征。这些看似相互矛盾的实验结果一直缺乏合理的解释，困扰着人们对其超导机理的认识。

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为了探究这一问题，浙江大学关联物质中心和物理系的袁辉球教授课题组通过多种极低温物性的测量，包括磁场穿透深度，比热和输运性质等，系统地研究了这两个材料的超导序参量。他们发现，LaNiC2和LaNiGa2均为两能带无能隙节点的超导体。这一重要发现促使他们提出了一种新的超导配对态，即偶宇称自旋三重态。通过与英国Kent 大学和Bristol大学的理论学家的合作，他们提出了一种基于两轨道的理论模型（如图所示）。由于自发磁场对自旋的极化作用，自旋简并的两能带发生劈裂：里层能带自旋向下（绿色箭头）而外层能带自旋向上（灰色箭头）。不同轨道上自旋方向相同，动量相反的两个电子配对而形成非幺正三重态。与一般自旋三重态不同，该非幺正自旋三重态仍具有偶宇称，但由于轨道交换的反对称性，其超导配对波函数仍是反对称的，符合泡利不相容原理。不同于传统的两能带超导，该模型所产生的两个超导能隙分别对应于自旋向上和自旋向下的两种库伯电子对。

该研究成果在线发表在2016年7月7日的美国《物理评论快报》，并被编辑作为亮点选为推荐论文(Editors' Suggestion)。美国《物理评论快报》的编辑根据论文的重要性、创新性和受关注程度从所发表的论文中选取少数论文（大约1/6）作为Editors' Suggestions，并以亮点的形式在《物理评论快报》的网页上进行点评。袁辉球教授课题组先前关于LaNiC2两能带超导的实验结果发表在New J. Phys. 15 053005 (2013)。这些研究表明，LaNiC2和LaNiGa2代表一类新型的超导材料，表现出一种独特的超导配机制。

该项研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、科学挑战计划等项目的资助。

相关论文：

  1. Z. F. Weng, J. L. Zhang, M. Smidman, T. Shang,  J. Quintanilla, J. F. Annett,  M. Nicklas,  G. M. Pang,  L. Jiao, W. B. Jiang,  Y. Chen,  F. Steglich and H. Q. Yuan, Two-gap superconductivity in LaNiGa2 with nonunitary triplet pairing and even parity gap symmetry, Phys. Rev. Lett., 117, 027001 (2016). (Editors' Suggestion).

DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.027001

  1. J. Chen, L. Jiao, J. L. Zhang, Y. Chen, L. Yang, M. Nicklas, F. Steglich and H. Q. Yuan, Evidence for two-gap superconductivity in the non-centrosymmetric compound LaNiC2, New J. Phys. 15, 053005 (2013).

DOI: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/15/5/053005