中国科大在笼目超导体的竞争电子序研究中取得重要发现

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院强耦合量子材料物理重点实验室陈仙辉院士团队吴涛教授等人在笼目超导体（kagomesuperconductor）的竞争电子序研究中取得重要发现。利用高压下的核磁共振技术，研究团队在笼目超导体CsV3Sb5中观察到一种由压力诱导的电荷有序态，并发现该电荷有序态与超导态之间存在强烈的相互竞争。这一发现不但为理解笼目超导体中复杂的演生物理现象提供了重要的实验依据，也为进一步在笼目超导体中探索新奇超导态提供了新的方向。相关研究成果于11月24日以 “Emergent charge order in pressurized kagome superconductor CsV3Sb5”为题在Nature杂志上发表[https://www.nature.com/articles/s41586-022-05351-3]。

在以往的非常规超导体研究中，人们发现超导态与竞争电子态之间总是存在着错综复杂的竞争现象，并且超导态还可以与竞争电子态相互交织，进一步形成新奇的超导态，例如高温铜氧化合物超导体中的配对密度波态。探索超导态与竞争电子态之间复杂的演生现象及其物理机制是目前超导研究领域的关键问题之一。最近，具有笼目结构的新型超导材料AV3Sb5(A = K, Rb, Cs)的发现为研究上述问题提供了一个新颖的材料平台。

二维笼目结构由于其特殊的几何结构，具有非常丰富的能带结构特征，包括平带（flat band）、狄拉克点（Dirac points）以及范霍夫奇点（van Hove singularities）。早期理论预测在范霍夫奇点掺杂附近，二维笼目体系可呈现出新奇的超导电性和丰富的电荷有序态，但长期以来缺乏合适的材料体系来实现相关的竞争电子态。近年来，笼目超导体CsV3Sb5的发现为该方向的探索提供了新的研究体系。中科大陈仙辉院士团队在前期研究中成功揭示了该体系中的三重调制（triple-Q）的电荷密度波态（Phys.Rev. X11, 031026 (2021)）以及新奇的电子向列相（Nature604, 59–64 (2022)），并通过压力实验观察到电荷密度波与超导电性在压力下的反常竞争关系（Nat. Commun.12, 3645 (2021)；Phys. Rev. Lett. 128, 077001(2022)）。

在上述研究基础上，中科大陈仙辉院士团队吴涛教授等人进一步利用核磁共振谱学技术对压力下笼目超导体CsV3Sb5中电荷密度波态和超导态的演化进行了系统的研究。实验结果表明：当静水压下高于临界压力Pc1≈0.58GPa时，体系出现了一种新的电荷密度波态（如图1所示），与此同时超导电性被剧烈地压制。经过核磁共振谱学分析，研究团队发现该电荷密度波态具有单向的条纹状电荷调制，类似于之前在高温铜氧化物超导体中发现的一种竞争电子序-电荷条纹序。当进一步增加压力至临界压力Pc2≈ 2.0GPa时，新的电荷密度波态被完全压制，超导转变温度也同时提升至最高值，这些结果表明超导与新的电荷密度波态存在强烈的竞争（如图2所示）。

研究团队还通过测量原子核的自旋-晶格弛豫率发现当新的电荷密度波在压力下被完全抑制后，体系在低温下呈现出强烈的电荷涨落，表明笼目超导体具有显著的电子关联效应，这可能是来源于笼目晶格中电子-电子之间非局域的相互作用（如图3所示）。此外，在压力下的超导态与常压下的超导态具有显著不同的自旋-晶格弛豫率随温度的演化行为。传统超导体通常会在超导转变温度之下表现出一个特征的Hebel-Slichter相干峰，而这一特征在之前笼目超导体常压下的核磁共振研究中已被观察到，表明常压下的超导态是一种传统超导态。然而，中科大研究团队在压力下的核磁共振研究表明，压力下的超导态并没有表现出类似的Hebel-Slichter相干峰行为（如图3所示），这表明笼目超导体CsV3Sb5在压力下的超导态可能是一种非常规的超导态。

上述实验发现揭示了笼目超导体中新奇的电子关联效应以及丰富的演生现象，将为理解超导态与竞争电子态之间复杂的相互机制提供一个新的契机，并且也为在笼目超导体中探索新奇超导态提供了一个新的方向，这将有助于推动了该领域理论与实验的进一步研究。合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士研究生郑立玄为论文的第一作者，吴涛教授和陈仙辉教授为文章的共同通讯作者。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省引导项目以及校创新团队项目的资助。


图1：笼目超导体CsV3Sb5中电荷密度波态与超导态在静水压下演化的实验证据以及物理演示图。


图2：笼目超导体CsV3Sb5中电荷密度波态与超导态随压力演化的竞争物理相图。


图3：笼目超导体CsV3Sb5中电荷涨落以及非常规超导配对的实验证据。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05351-3