配对密度波是由质心动量非零的库珀对相干凝聚而产生的奇特超导态。它自发地破缺空间平移对称性，因此，其超导序参量在实空间会出现周期性调制。与FFLO态不同，配对密度波的形成不需要外加磁场，一般由电子相互作用所驱动。这种量子态具有奇异的物理性质，且其部分融化可以导致各种电子残余序，例如电荷密度波态和四电子超导配对态等。实验上最初在铜基高温超导体中发现了配对密度波存在的迹象[1]，最近又相继在笼目超导体[2]、铁基超导体[3,4]和重费米子超导体[5,6]中观测到了配对密度波态的证据，从而引发了广泛关注。其中比较特别的是笼目超导体  ，其配对密度波具有多个对称性联系的波矢量。然而，笼目超导体的本征配对密度波态及其物理性质目前仍然不清楚，且配对密度波态与时间反演破缺的电荷序之间的相互作用也亟待深入研究。

最近，中国科学院理论物理研究所吴贤新副研究员和周森研究员与南方科技大学殷嘉鑫教授实验团队合作紧密合作，通过研究笼目超导体极低温实空间超导能隙振荡，发现了手性配对密度波态的残余费米弧。实验团队利用扫描隧道显微镜测量  和  笼目超导体，发现超导能隙振荡周期是  （图1a-c），且在动量空间中  的三组散射峰强度不同，由弱到强的旋转方向可以定义出超导能隙振荡的手性（图2a-c）。通过实验发现，超导能隙振荡的手性可以被施加的外磁场所调控。研究团队进一步用超导针尖实现了超导约瑟夫森隧道结来探测局域配对电子密度，并观测配对电子密度为  的手性振荡（图1d-e，图2d-f）。这些结果证实笼目超导体本征的手性配对密度波态的周期是  ，与体态电荷序周期吻合，厘清了学术界在配对密度波波矢上的争议。进一步，研究团队测量了不同温度下的准粒子散射谱，发现随着温度降低费米面会逐渐消失并演化成费米弧，且在远低于超导转变的温度下，系统依然具有明显的费米弧（图3），这些是波戈留波夫费米面存在的证据。研究团队利用唯象分析和理论计算发现实验结果与电荷序和轨道选择配对之间的相互作用有关，并提出一种可能物理机制：空间均匀的超导主要发生在Sb的p轨道上，而非V的d轨道，主要原因是V-d轨道费米面的大部分已被电荷序打开能隙；进入超导态后，Sb-p轨道上的超导和V-d轨道的手性电荷振荡进行耦合，形成了一种特殊的p-d轨道混合的手性配对密度波，从而产生波戈留波夫费米弧（图3 i-k）。研究团队的实验观测和理论分析为有限动量配对的配对密度波态提供了完整的证据链。

研究成果于2024年8月21日在《自然》杂志在线发表。该工作的实验测量由南科大殷嘉鑫课题组完成，中国科学院物理研究所石友国课题组和北京理工大学王秩伟课题组为该项目提供了高质量的单晶。该工作的理论部分主要由理论物理所吴贤新副研究员、周森研究员和博士生傅瑞庆共同完成，其中傅瑞庆同学做了详尽的数值计算。南科大邓翰宾博士，粤港澳量子中心秦海浪，南科大刘国威、杨天宇和理论物理所博士生傅瑞庆为共同第一作者。吴贤新副研究员、石友国研究员、王秩伟教授和殷嘉鑫副教授为共同通信作者。该项工作的其他合作者还包括香港科技大学张中义博士以及德国、瑞士科学家团队。本工作得到了国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金、中国科学院相关项目的支持。