科學前沿6：Kagome超導體CsV3Sb5的高壓研究進展

　　通過結構設計使固體材料晶格中的原子按照特定方式排列，可以有效調控電子自旋、電荷以及軌道自由度間的相互作用，進而可實現不同的奇異物態。

　　
例如，準二維Kagome晶格是研究幾何阻挫、非平庸拓撲能帶以及多種電子自由度耦合與競爭的重要平臺。最近發現的具有完美V離子二維Kagome晶格的AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)吸引了廣泛關注。實驗研究發現，AV3Sb5體系在高溫78-103 K發生類電荷密度波（CDW）相變，在低溫0.93-2.5 K出現超導電性。同時，角分辨光電子能譜（ARPES）以及第一性原理計算表明該體系在費米能級附近有多個線性色散的具有Z2拓撲屬性的非平庸能帶結構。此外，這個體系在低溫還存在巨大的反�；魻栃�應；STM研究發現CDW具有三維性，并且在相變溫度以下具有的手性電荷序可能與反�；魻栃�應存在緊密聯系。近期，人們針對AV3Sb5體系中的類CDW相變和超導電性開展了大量的理論和實驗研究。由于該體系中存在多種有序態和奇異物性，通過進一步調控不同基態的競爭與演化，將有助于深入理解其奇異物性的起源。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX6組的博士生陳科宇、王寧寧、孫建平副研究員和程金光研究員，與凝聚態理論與材料計算重點實驗室T06組的蔣坤特聘研究員、胡江平研究員，聯合中國人民大學的雷和暢教授以及日本東京大學的Yoshiya Uwatoko教授，采用活塞-圓筒壓腔和六面砧大腔體高壓低溫物性測量裝置，在6.6 GPa靜水壓、1.5 K最低溫和8 T磁場的綜合極端環境下，對高質量的CsV3Sb5單晶開展了仔細的高壓磁電輸運以及磁性測量，他們的結果發現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。這些結果對理解AV3Sb5體系中的競爭電子序以及相互作用具有重要意義。

　　圖1. 0-2.2GPa范圍內CsV3Sb5單晶的電阻率以及電阻率導數的溫度依賴關系。

　　他們首先利用活塞-圓筒壓腔測試了CsV3Sb5單晶在0-2.2GPa范圍之間的電阻率-溫度依賴關系，如圖1所示，CDW相變表現為電阻率上銳利的向下彎折，其對應在電阻率導數上為一個尖峰，隨著壓力的逐漸升高，CDW逐漸被壓制；但是在0.6-0.9GPa時，CDW在電阻上的特征由向下的彎折轉變為向上的鼓包，對應電阻率導數也由尖峰轉變為深谷；這表明壓力導致CDW的性質變化。隨著壓力進一步升高至2GPa附近，CDW被完全壓制。高壓電阻率和交流磁化率顯示（圖2），隨著壓力的逐漸升高，其超導Tc呈現出非單調變化，在中間壓力區間由于超導與CDW競爭更加明顯，導致其超導轉變進一步展寬以及超導體積分數出現明顯下降。

　　圖2. CsV3Sb5單晶在不同壓力下的低溫電阻率與磁化率數據。

　　根據以上結果可以建立CsV3Sb5單晶的溫度-壓力相圖，如圖3所示。從相圖中可以看出高壓單調抑制了CDW，但是其超導Tc(P)呈現出M形的非單調演化行為，同時，其臨界場也表現出兩個峰值的特征，由于臨界場與電子有效質量呈正相關的關系，因此，Pc2對應于CDW的消失以及超導Tcmax ≈ 8 K的最大值可能具有量子臨界點的特征，而Pc1是否也對應于量子臨界點值得進一步研究。為了理解上述高壓相圖，他們還計算了CsV3Sb5在不同壓力下的電子能帶結構。

　　圖3. CsV3Sb5單晶的溫度-壓力相圖。

　　如圖4所示，由于在高壓下c軸減小的比a軸更快，因此其電子結構沿c軸的色散更加明顯，在高壓下CDW沿c軸波矢的消失可能是在Pc1出現第一個超導穹頂的原因，這也可以理解電阻率以及電阻率導數出現異常的現象。上述研究結果對于進一步理解Kagome超導體AV3Sb5中的物理現象提供了新的視角，同時對理解多重電子序之間的競爭與協作提供了重要實驗依據。

　　圖4. CsV3Sb5單晶高壓下的能帶結構。

　　該工作得到國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃，中科院B類先導專項以及綜合極端條件實驗裝置（SECUF）的支持。

　　編輯：荔枝、yrLewis

發布時間：2021-07-07 16:34:59 來源：頭條網