在异质界面系统中，由于存在着异质界面间的相互耦合和界面对称破缺促使该系统中的电子电荷、自旋和轨道以及晶格自由度之间的激烈相互作用、相互影响，体系将呈现出许多丰富的不同于块体材料的新颖量子物性，特别是新颖界面超导电性。对它的研究也已经成为当前前沿凝聚态物理学的热点和重点研究方向之一，也有望从中获得新的物理线索为理解非常规超导电性产生的背后物理机制，实现可能存在的更高超导转变温度的异质界面超导体。  

 新型钽酸钾异质界面超导体是近年来实验上发现的超导转变温度相对较高、自旋-轨道耦合强度也相对较强的界面超导电性。然而其超导配对对称性的特征却尚未清楚。这里，超导配对对称性在理解超导电性中扮演着至关重要的角色并影响其基本物理性质。揭示超导配对对称性也是在研究新的超导材料时最具挑战性的任务之一。  

近日，复旦大学物理学系李炜青年研究员和中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心HX-Q0₂组的沈洁特聘研究员、上海科技大学物质科学与技术学院李军研究员和宋艳汝副研究员等的合作，在新型钽酸钾异质界面超导体中观测到面内空间二度旋转对称性的混合宇称型非常规超导电性，为进一步理解异质界面超导体中的电子运动物理规律奠定了基础。  

具体来讲：我们利用脉冲激光沉积技术在实验层面上成功地制备出高质量YAlO₃/KTaO₃(111)异质界面超导体并通过极低温电学输运测试表征手段，发现该异质界面系统具有超导转变温度为1.86 K的超导电性。进一步通过磁阻表征，我们还在YAlO₃/KTaO₃(111)异质界面超导体的超导相中观测到磁阻和超导上临界场均随着面内磁场的空间转动时展现出明显的面内二度旋转对称性，而在其正常相中该各向异性现象却消失了，表明此行为为KTaO₃异质界面超导系统的本征超导属性。结合对称性群论研究，我们揭示出二度旋转对称性的超导电性来源于具有空间反演对称性破缺和强自旋-轨道耦合作用的KTaO₃异质界面超导体的混合宇称型超导电子配对对称性，即s+p波型非常规超导电性。该研究工作不仅点亮了钽酸钾异质界面超导体中的新颖超导配对对称性特征，而且还为后续研究界面超导体中的电子运动物理规律提供新的努力方向和研究思路。  

相关成果以“Spontaneous rotational symmetry breaking in KTaO₃ heterointerface superconductors”为标题已在线发表在《Nature Communications》上。复旦大学物理学系博士研究生张冠群和王丽杰，上海科技大学物质科学与技术学院博士后王靖珲，中科院物理所博士研究生李国安为论文的共同第一作者。上海科技大学物质科学与技术学院宋艳汝副研究员和李军研究员，中科院物理所沈洁特聘研究员，复旦大学物理学系李炜青年研究员为论文的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金委(2174430和92065203)，中国科学院先导专项(XDB33000000)，北京市科技新星(Z211100002121144)和综合极端条件实验装置(SECUF)的支持。  

Guanqun Zhang, Lijie Wang, Jinghui Wang, Guoan Li, Guangyi Huang, Guang Yang, Huanyi Xue, Zhongfeng Ning, Yueshen Wu, Jin-Peng Xu, Yanru Song, Zhenghua An, Changlin Zheng, Jie Shen, Jun Li, Yan Chen, and Wei Li, Spontaneous rotational symmetry breaking in KTaO3 heterointerface superconductors, Nat. Commun. 14, 3046 (2023).  

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38759-0

    
图1: YAlO₃/KTaO₃(111)异质界面超导体的截面透射电镜原子相结构和变温电学输运特性。

   
图2: YAlO₃/KTaO₃(111)异质界面超导体的面内空间二度旋转对称性的超导电性特征。