高鴻鈞&汪自強Nature：揭秘釩基Kagome金屬中相關電子態和超導性的微觀起源

【研究背景】

過渡金屬kagome晶格材料承載著物質的受挫、關聯和拓撲量子態。最近，發現了一個具有拓撲能帶結構的釩基kagome金屬AV₃Sb₅（A=K、Rb和Cs）新家族，在6.6 GPa靜水壓、1.5 K最低溫和8T磁場的綜合極端環境下，高壓磁電輸運以及磁性測量結果發現CsV₃Sb₅單晶的CDW逐漸被高壓抑制，但是其超導相出現了非單調變化的雙拱形相圖，這與在中間壓力區間CDW的特征變化是緊密相聯系的，最終在CDW消失的臨界壓力2 GPa附近其超導Tc升高至約8 K，比常壓Tc提高了近3倍。這些層狀化合物是非磁性的，在低溫下發展超導電性之前經歷電荷密度波躍遷。

【成果簡介】

近日，中國科學院物理研究所高鴻鈞教授，美國波士頓學院汪自強教授聯合報道了使用掃描隧道顯微鏡/光譜(STM/STS)和約瑟夫森STS在CsV₃Sb₅中觀察到的非常規超導性和對密度波 (PDW)。研究發現，CsV₃Sb₅具有V型對隙Δ~0.5 meV，是一種強耦合超導體(2?/kBTc~5)，與 4a0 單向和 2a0×2a0 電荷順序共存。值得注意的是，作者發現一個3Q PDW伴隨著超導間隙、相干峰和隧穿電導間隙深度的雙向4a0/3空間調制。本工作將這種新的量子態稱為與底層渦旋-反渦旋晶格相關的roton-PDW，它可以解釋觀測到的電導調制。研究結果顯示出與高溫銅酸鹽超導體現象的驚人相似和區別，并為理解釩基Kagome金屬中相關電子態和超導性的微觀起源提供了基礎。該文章近日以題為“Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor”發表在知名頂刊Nature上。

【圖文導讀】

圖一、CsV3Sb5 的原子結構和表面鑒定

圖二、在Cs和Sb表面觀察到的V形配對間隙和約瑟夫森效應

圖三、Sb表面上超導性的CDW、PDW和空間調制

圖四、CsV₃Sb₅中300 mK磁場和4.2 K零場中的PDW和贗隙

【全文總結】

非常規超導性可以在模型計算中從Kagome晶格上的局部和擴展電子相關性中產生。然而，作者發現的物理學遠遠超出了CsV₃Sb₅是另一種候選的非常規超導體。它體現了一組高度激發的量子電子態和激發，顯示出驚人的類比和區別，并且可能掌握解決銅酸鹽高溫超導體中一些突出問題的共同關鍵，包括近晶電子液晶態、相互作用PDW、CDW和相互交織的電子秩序，以及它們對贗隙現象和非常規超導性的影響。該發現為未來研究非常規SC狀態、roton-PDW和共存的電荷順序如何從相關的Z2拓撲kagome帶微觀起源以及AV₃Sb₅中出現的拓撲超導性的前景提供了基礎和見解。

文獻鏈接：Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor (Nature 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03983-5)

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