籠目結構超導體研究獲進展丨《自然》

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、實體學院、中科院強耦合量子材料實體重點實驗室陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的研究團隊，在籠目結構（kagome）超導體研究中取得重要進展。科研團隊在籠目超導體CsV3Sb5中觀測到電荷密度波序在低溫下演化為由three state Potts模型所描述的電子向列相。該向列相的發現為了解籠目結構超導體中電荷密度波與超導電性之間的反常競争提供了重要實驗證據，并為進一步研究關聯電子體系中與非正常超導電性密切相關的交織序（intertwined orders）提供了新的研究方向。2月9日，相關研究成果以Charge-density-wave-driven electronic nematicity in a kagome superconductor為題，以Accelerated Article Preview形式，線上發表在《自然》（Nature）上 。

電子向列相是一種由電子自由度旋轉對稱性的自發破缺而産生的電子有序态，廣泛存在于高溫超導體、量子霍爾絕緣體等電子體系。電子向列相與高溫超導電性之間存在緊密聯系，被認為是一種與高溫超導相關聯的交織序，是高溫超導的理論研究中重要的科學問題和研究熱點。探索具有新結構的超導材料體系，進而進一步探究超導與各種交織序的關聯是目前領域的重要研究方向，其中一類備受關注的體系為二維籠目結構。理論預測在範霍夫奇點（van Hove singularities）摻雜附近，二維籠目體系可呈現出新奇的超導電性和豐富的電子有序态，但長期以來缺乏合适的材料體系來實作其關聯實體。近年來，籠目超導體CsV3Sb5的發現為該方向的探索提供了新的研究體系。中國科大超導研究團隊前期研究揭示了該體系中面内三重調制（triple-Q）的電荷密度波态【Physical Review X,11, 031026 (2021)】以及電荷密度波與超導電性在壓力下的反常競争關系【Nature Communications,12, 3645 (2021)】。

在上述研究的基礎上，科研團隊充分結合掃描隧道顯微鏡、核磁共振以及彈性電阻三種實驗技術，針對CsV3Sb5中的電荷密度波态的演化展開了細緻研究。研究顯示，體系在進入超導态之前，三重調制電荷密度波态會進一步地演化為一種熱力學穩定的電子向列相，并确定轉變溫度在35開爾文左右。該電子向列相與之前在高溫超導體中觀測到的電子向列不同：高溫超導體中的電子向列相是Ising類型的向列相，具有Z2對稱性；而在籠目超導CsV3Sb5中發現的電子向列相具有Z3對稱性，在理論上被three state Potts模型所描述，因而也被稱為“Potts”向列相。有趣的是，這種新型的電子向列相最近在雙層轉角石墨烯體系中也被觀察到。

這些發現在籠目結構超導體中揭示了一種新型的電子向列相，并為了解這類體系中超導與電荷密度波之間的競争提供了實驗證據。之前的掃描隧道譜研究表明，CsV3Sb5體系中可能存在超導電性與電荷密度波序互相交織而形成的配對密度波态（Pair density wave state，PDW）。在超導轉變溫度之上發現的電子向列序，可以被了解成一種與PDW相關的交織序，該研究為了解高溫超導體中的PDW提供了重要的線索和思路。如何了解籠目結構超導體中超導電性及其交織序的形成機制仍需要進一步的實驗與理論研究。

研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院、安徽省及中國科大創新團隊項目的支援。

籠目結構超導體中三重調制電荷密度波導緻的電子向列序與超導電性的實體示意圖

來源：中國科學技術大學