物理与天文学院马天星、梁颖团队与合作者揭示了电荷条纹周期对超导配对对称性的调制作用

非常规超导物理机制的研究是凝聚态物理中极具挑战性的领域之一，而处理强电子关联效应的困难极大地限制了理论上对非常规超导电性的理解。通过数值计算和模拟求解合适的微观模型，以理解背后的物理机理，是当前面对这一挑战的主要途径；而研究电子关联体系的主要困难在于系统的希尔伯特空间维度随着系统尺寸呈指数增长，难以准确求解。目前主要的数值方法如量子蒙特卡罗（QMC）、密度矩阵重整化群（DMRG）等各有优点和缺陷。另一方面，在不同类型的非常规超导体中，实验上广泛观察到了电荷条纹序的存在，它们具有不同的周期P和不同的电荷条纹振幅V0。然而，截至目前，对电荷条纹序与超导态之间的关系依然没有系统的理解。

近日，我校物理与天文学院马天星教授、梁颖教授与北京计算科学研究中心黄兵教授、胡时杰教授和浙江大学林海青院士等合作，综合采用行列式量子蒙特卡罗（DQMC）、约束路径量子蒙特卡罗（CPQMC）和密度矩阵重整化群方法（DMRG），系统研究了电荷调制对超导配对对称性转变的影响，发现以电荷条纹周期P=3为界，主导的超导配对对称性具有截然不同的性质。

通过将量子蒙特卡罗与密度矩阵重整化群模拟相结合，研究发现在非均匀的哈伯德模型上不同的电荷条纹周期P在决定不同超导配对对称性的出现方面发挥了意想不到的作用。有趣的是，d波超导配对在P≥4系统中始终占主导地位；而P≤3时，扩展的s波和d波都有可能占据主导地位（图1）。当P=3时，他们发现空穴掺杂浓度δ与电荷条纹振幅V0之间的相互作用可以实现一种有趣的d-s波转变。这一有趣的现象源于电荷条纹诱导的畴壁，它形成了一种不同寻常的选择规则（图2），分别在条纹区域附近和远离条纹区域产生s波和d波，因而具有了转变的临界周期（即P= 3）。值得注意的是，在这个转变过程中，d波超导配对转变为配对密度波，并与s波超导配对竞争。此外，伴随着d-s 波的转变，系统的磁关联也随之发生改变，表明了电荷条纹序、超导配对和磁关联之间的复杂联系。

图1：(a)周期P= 3的非均匀哈伯德模型的晶格结构；(b)DQMC计算的具有电荷条纹周期P= 3的非均匀哈伯德模型的相图；(c)主导配对对称性依赖于P，其中P = 3是一个临界值。

图3：在DMRG计算的基础上，通过分析主导库柏对模式的凝聚波函数ζ0(iδl)，讨论了系统发生d-s波转变的原因。

该工作为依赖于电荷条纹周期P的超导体系之间超导配对机制的差异提供了新见解，突出了电荷条纹相的决定性作用，为阐明不同类型的非常规超导体系配对对称性之间的区别提供了参考。相关论文发表在Nature Communications 15, 9502 (2024)。北京师范大学物理与天文学院博士生陈超为第一作者（毕业于2024年6月30日，现就职于海军工程大学），马天星教授与北京计算科学研究中心黄兵教授、胡时杰教授为共同通讯作者。

多年来，马天星、梁颖团队致力于计算物理方法的发展和电子关联体系新颖物性的研究，尤其是在量子蒙特卡罗方法及其应用方面取得了丰硕的成果，发表在包括Science Bulletin、Phys. Rev. Lett. Phys. Rev. B等上的工作被Nature、Science、Nature Materials等上实验或理论的研究广泛引用，部分理论预言得到了实验的证实。这些工作主要得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。

1. Chao Chen, Peigeng Zhong, Xuelei Sui, Runyu Ma, Ying Liang, Shijie Hu,† Tianxing Ma, ‡ Hai-Qing Lin, and Bing Huang, § .Charge Stripe Manipulation of Superconducting Pairing Symmetry Transition, Nature Communications 15, 9502 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53841-x

2. Meng J-Y, Ma T-X, Lin H-Q. Computational condensed matter physics: A brief introduction (in Chinese). Physics, 2022, 51: 602 [孟敬尧, 马天星, 林海青. 浅谈计算凝聚态物理, 物理, 2022, 51: 602，邀请综述]