隧道谱学揭示了至今最清晰的证据，证明这种外层的超导态物质在铁基超导体中即使在没有磁场的情况下也存在。
研究人员发现了一种非磁性环境中的另一种超导状态，称之为配对密度波（PDW），这一发现挑战了之前对超导性的理解。这一在铁基超导体中的突破同时展现了铁磁性，为超导性研究开辟了新的潜能，并有可能彻底改变这一领域的发展。
在超导领域——即电子可以在材料中以基本零电阻流动的现象中，发现的“圣杯”是一种能在日常温度和压力下运行的超导体。这样的材料可以彻底改革现代生活。然而，当前已经发现的“高温” (高Tc) 超导体仍需要保持极低的温度才能正常工作，在大多数应用领域来说过于寒冷。
科学家在实现室温超导之前还有很多要学习的，主要是因为超导体是高度复杂的材料，具有交织并且有时相互竞争的磁性和电子状态。这些不同的状态或相位很难剖析和解释。
有一个这样的状态是一种被称为“配对密度波（PDW）”的物质的交替超导态，其特点是电子形成的耦合电子对不断运动。过去人们一直认为PDW只会在超导体置于较强磁场中才会出现，但现在情况有所改变。
最近，来自美国能源部的布鲁克黑文国家实验室、哥伦比亚大学和日本高级产业科学技术研究院的研究人员，在没有磁场的情况下，直接观察到一种铁基超导材料中的一种电子排布模式（PDW）。他们将他们的研究结果发表在2023年6月28日的《自然》杂志网络版上。
“我们领域的研究人员理论上认为，PDW（配对密度波）可能以独立存在，但最好的证据始终存在模棱两可的问题，”参与该研究的布鲁克黑文实验室的物理学家藤田和弘（Kazuhiro Fujita）表示。“这种基于铁的超导体是第一种明确指向零磁场PDW的材料。这是一个令人兴奋的结果，为超导性开启了新的研究和发现的潜在途径。”
这种具有层状晶体结构的铁基硫化铷钕铁矿物质（EuRbFe4As4，简称Eu-1144）因其天然具备超导和铁磁性而备受瞩目。这种特殊的双重属性引起了这个研究团队的兴趣，并促使他们对其进行了研究。
“我们希望看到，这种磁性和超导性是否有关联？一般来说，超导体会被磁性序破坏，所以当超导性和磁性同时存在于同一化合物中时，能够观察到它们如何共存是很有意思的，”物理学家Abhay Pasupathy说道，他是这篇论文的合著者之一，同时也与布鲁克黑文实验室和哥伦比亚大学有关。“有可能这两种现象存在于化合物的不同部分，并且彼此无关。但是，相反的是，我们发现它们之间存在着美丽的联系。”
当磁性出现时，我们探测到了空间调制的超导性。
帕苏帕锡和他的同事们在布鲁克黑文的超低振动实验室利用一台最先进的光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）对Eu-1144进行了研究。
“这个显微镜可以测量在材料的特定位置上，样品表面和SI-STM探针之间的电压变化时，有多少电子在其之间‘隧穿’来回运动。” Fujita说道，“这些测量结果可以帮助我们创建一个包含样品晶格和每个原子位置上电子的不同能量的地图。”
当他们将样品的温度逐渐提高时，他们进行了一系列的测量，穿过了两个关键点：磁化温度和超导温度。在磁化温度以下，该材料显示出铁磁性；而在超导温度以下，该材料能够以零电阻的方式传导电流。
在样品的关键超导温度以下，测量结果显示了电子能谱中的间隙。 这个间隙是一个重要的标志，因为它的大小等同于打破携带超导电流的电子对所需的能量。间隙中的调制显示了电子的结合能的变化，这些能量在最小值和最大值之间振荡。这些能量间隙的调制是一个有关相对弦波密度波(PDW)的直接标志。
这一发现将研究人员引向新的方向，比如尝试在其他材料中复制这一现象。还有其他PDW的方面值得探究，比如试图通过在材料的其他性质上显现的迹象间接探测电子对的运动。
"我们的许多合作伙伴对我们的工作表现出了极大的兴趣，并已打算在这种材料上进行不同类型的实验，如使用X射线和缪子，" Pasupathy说道。
参考资料：“EuRbFe4As4中的Smectic双密度波序” (作者：He Zhao, Raymond Blackwell, Morgan Thinel, Taketo Handa, Shigeyuki Ishida, Xiaoyang Zhu, Akira Iyo, Hiroshi Eisaki, Abhay N. Pasupathy和Kazuhiro Fujita，2023年6月28日，自然杂志。DOI: 10.1038/s41586-023-06103-7)
这个研究小组还包括赵贺（布鲁克黑文国家实验室），雷蒙德·布莱克韦尔（布鲁克黑文国家实验室），摩根·蒂内尔（哥伦比亚大学），汉田武人（哥伦比亚大学），石田重行（日本国立高级工业科学技术研究所），朱小阳（哥伦比亚大学），伊藤彰（日本国立高级工业科学技术研究所）和株洲广志（日本国立高级工业科学技术研究所）。这项工作得到美国能源部（基础能源科学办公室），美国国家科学基金会，美国空军科学研究办公室和日本科学促进会的资助。
