图 2. (上部) 超导电子配对的三种主流机制：Lattice --- 经典超导中的电声子配对媒介；Spin --- 铜基超导中的自旋涨落配对媒介；Orbital --- 铁基超导中的电子轨道配对媒介。(下部) FeAs 中的轨道分辨的能带结构 (kz = 0 处)(上部) In
classical superconductors, which function at very low temperatures, vibrations
of atoms in the crystal lattice of the material provide the necessary glue for
the pairing. In cuprates, the original high-temperature superconductor
compounds, magnetic interactions based on an electron’s spin generate the
superconductive pairing. In the pnictide high-temperature superconductors,
electron orbitals as a third kind of pairing glue for electron pairs. From T.
Shimajima et al, Orbital-independent superconducting gaps in iron pnictides,
Science 332, 564 (2011), https://www.science.org/doi/10.1126/science.1202150、https://phys.org/news/2011-06-superconductivity-side-unmasked.html。(下部) Schematic
representation of orbitally resolved band structure of FeSe at kz = 0. From A. Kostin et al,
Imaging orbital-selective quasiparticles in the Hund’s metal state of FeSe,
Nature Mater. 17, 869 (2018), https://www.nature.com/articles/s41563-018-0151-0。 接下来，铁基超导的进展，使得我们对非常规超导的理解又更进一步。所谓“弱水三千，姑取一瓢”，看看 SrTiO3(STO) 上生长的单层 FeSe 之超导性质，就很有意思。它所展示的超导 Tc 比块体 FeSe 基化合物的 Tc 高很多，提示库珀对形成机制的一些新苗头。事实上，从 FeSe 本身分析，其超导温度显著偏离了BCS 理论的预测，展现了很多非常规超导电性的特征：如果看中子散射的自旋共振模式，应该是 d-wave 配对占主导。但看费米面附近的能带结构如 nodeless gap，又应该有很强的 s-wave 配对参与。不知道是不是基于这个原因，不少物理人认为，单层 FeSe 中可能存在由 STO 衬底提供的、很强的声子介入，这才使得单层 FeSe 的超导温度高！很强声子介入，作为一个额外的切入点，似乎又轮回到 BCS 理论当家作主的样子。但果若如此，BCS 也将面临巨大挑战：非常规超导物理积累了太多证据、结果和效应，是 BCS 不能敲定的，例如那个铜基超导相图、例如这里的铁基 d-wave 配对！ 需要指出，上述行文，如此翻来覆去，一是因为 Ising 乃是外行，二是超导研究的历程就是如此！之所以继续兜圈子，正是因为超导人注意到了 FeSe 中 d-wave 和 s-wave 的混存。于此，有些超导人就想到并关注到“轨道选择”的电子配对机制 (orbital-selective
pairing)，以居中调停，既不得罪 d-wave、也不开销 s-wave。例如，米国大米大学 (Rice University) 的知名华人超导学者 Qimiao Si (斯其苗) 教授，就是其中一位。他与合作者 Emilian M. Nica (现在应供职于温哥华的 University of
British Columbia) 和俞榕教授 (现在供职于人民大学物理系) 合作，提出了所谓的 orbital-selective
pairing state 的 sτ3理论，发表在 2017 年的《npj QM》上 [E. M. Nica et al,
Orbital-selective pairing and superconductivity in iron selenides, npj Quant.
Mater. 2, 24 (2017), https://www.nature.com/articles/s41535-017-0027-6]。这一工作，在同行中有影响。随后，斯老师和 Nica，于 2021 年在《npj QM》上再度发文 [E. M. Nica & Q. Si,
Multiorbital singlet pairing and d + d superconductivity, npj Quant. Mater. 6,
3, (2021), https://www.nature.com/articles/s41535-020-00304-3]，显著深化拓展了这一理论。对这两项工作的个中史韵，斯老师在 2021 年初接受著名科学媒体《Science Daily》采访时，有分享其中的有趣故事 [https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210125144522.htm]。感兴趣的读者，可以前往御览。 “轨道选择”配对，自然意味着电子配对可能呈现轨道各向异性。感性地说，即体系“喜好”其中某一方向或者某一条轨道的电子配对。例如，自旋涨落可能以面外 c 轴方向占主导，也可能是以面内 ab 方向为主。实验如果能观测到这一效应，将是对相关“轨道选择”配对物理的重要支撑，意义非凡。事实上，过去若干年，此中进展显著，有诸多相关工作发表出来。Ising 在这里举证 2022 年发表的三个实例 (图 3 所示乃其中两个工作的部分结果)，都由中国学者完成，也宣示《npj QM》对这一问题有及时响应。
图 3. “轨道选择”配对物理最近得到的一些实验证据。(上部) 罗会仟教授他们绘制的自旋涨落各向异性示意图。(下部) 王健教授他们对单层 FeAs 探测得到的超导能隙各向异性。https://physics.aps.org/articles/v15/s45、https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04863 (1) 来自中科院物理所的李世亮、罗会仟团队，针对 FeAs 基体系 [CaK(Fe0.96Ni0.04)4As4] 中的自旋激发，以非弹性中子散射为探测工具，确立了该体系在超导态下自旋涨落的普遍择优取向。研究工作刊登于最近的《Phys. Rev. Lett.》上 [C. Liu et al, Preferred spin
excitations in the bilayer iron-based superconductor CaK(Fe0.96Ni0.04)4As4 with spin-vortex crystal order, PRL 128, 137003 (2022)]。 (2) 来自北京大学量子材料中心的王健团队，与欧美相关团队合作，利用原位扫描隧道显微术，针对 FeSe 单层 / STO 衬底这一经典体系，对超导态的轨道选择性展开了研究，揭示了轨道选择性，并确认这种轨道选择性在 FeSe 单层中依然存在。研究工作刊登于最近的《Nano Lett.》上 [C. F. Liu et al,
Orbital-selective high-temperature Cooper pairing developed in the
two-dimensional limit, Nano Lett. 22, 3245 (2022)]。 (3) 同样是来自北京大学量子材料中心的彭莹莹团队，与瑞士 Paul Scherrer
Institut (PSI) 的知名量子材料学者 Thorsten Schmitt 博士团队及中科院物理所的董晓莉团队合作，利用所谓的共振非弹性 X 散射 resonant inelastic
x-ray scattering (RIXS) 技术，对层状块体 FeAs 基超导体 (Li,Fe)OHFeSe (即所谓的 FeSe11111 单晶) 的超导激发进行了深入探测，揭示了这一体系中无色散的动量转移物理 (dispersionless and
isotropic in momentum transfer) 和局域eg - eg和eg - t2g轨道涨落对超导电性的重要贡献，部分数据如图 4 所示。研究工作于最近刊登于《npj QM》上 [Q. Xiao et al, Dispersionless
orbital excitations in (Li,Fe)OHFeSe superconductors, npj QM 7, 80 (2022), 点击文尾“阅读原文”进入]。