颗粒铌中超导涡旋芯的微观结构：一个相干量子谜题

当宏观量子凝聚体——超导体、超流体、冷原子和离子、极化激元等——旋转时，内部会形成量子涡旋晶格。在均匀的第二类超导体中，每个涡旋都有一个微小的芯，其中超导能隙$\Delta(r)$已知在相干长度$\xi$的尺度上向芯中心平滑地消失。这些芯承载着量子化的准粒子能级，称为Caroli-de Gennes-Matricon (CdGM)束缚态[Caroli {\\it et al.,} Phys. Lett. v. 9, 307 (1964)]。在纯净材料中，低位CdGM态的谱具有特征能级间距$\sim \Delta_0^2/E_F$，其中$E_F$是费米能，$\Delta_0$是体能隙。在无序材料中，由于散射，CdGM态会发生移动和展宽。在这里，我们从实验和理论上表明，在超导电子学中常用的颗粒铌薄膜中，情况完全不同。在这些晶粒尺寸小于$\xi$的薄膜中，准粒子谱中的能隙$\Delta$在向涡旋芯中心方向时，会在晶界处通过离散跳跃而减小。束缚态适应局部环境，并出现在出乎意料的高能量下。$\Delta(r)$和束缚态共同构成了芯的拼图状空间结构，其元素是整个晶粒。我们的发现动摇了关于量子涡旋的既有理解，并鼓励重新考虑颗粒超导体中的涡旋运动和钉扎机制。