中國科大在籠目結構超導體研究領域取得重要進展

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院强耦合量子材料物理重點實驗室陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的研究團隊,近日在籠目結構超導體的研究中取得重要進展。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中科院强耦合量子材料物理重點實驗室陳仙輝、吳濤和王震宇等組成的研究團隊,近日在籠目結構(kagome)超導體的研究中取得重要進展。研究團隊在籠目超導體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,該向列相的發現不僅為理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爭提供了重要實驗證據,也為進一步研究關聯電子體系中與非常規超導電性密切相關的交織序(intertwined orders)提供了新的研究方向。相關研究成果於2月9日以“Charge-density-wave-driven electronic nematicity in a kagome superconductor”為題在Nature雜誌上以“Accelerated Article Preview”的管道線上發表。

圖:籠目結構超導體中三重調製電荷密度波導致的電子向列序與超導電性的物理示意圖

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產生的電子有序態,其廣泛存在於高溫超導體、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著緊密的聯系,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大的科學問題和研究熱點。探索具有新結構的超導材料體系,從而進一步研究超導與各種交織序的關聯是當前領域的一個重要研究方向,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態,但長期以來缺乏合適的資料體系來實現其關聯物理。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。中科大超導研究團隊在前期研究中已成功揭示了該體系中面內三重調製(triple-Q)的電荷密度波態(Phys.Rev. X11,031026(2021)),以及電荷密度波與超導電性在壓力下的反常競爭關係(Nat. Commun.12,3645(2021))。

在這些基礎上,研究團隊充分結合了掃描隧道顯微鏡、核磁共振以及彈性電阻三種實驗科技,針對CsV3Sb5中的電荷密度波態的演化進行了細緻的研究。他們發現體系在進入超導態之前,三重調製電荷密度波態會進一步地演化為一種熱力學穩定的電子向列相,並確定轉變溫度在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有所不同: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 statePotts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。

這些發現不僅在籠目結構超導體中揭示了一種新型的電子向列相,也為理解這類體系中超導與電荷密度波之間的競爭提供了實驗證據。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相互交織而形成的配對密度波態(Pair density wave state,PDW)。在超導轉變溫度之上發現的電子向列序,可以被理解成一種與PDW相關的交織序,這一研究結果也為理解高溫超導體中的PDW提供了重要的線索和思路。如何理解籠目結構超導體中超導電性及其交織序的形成機制還需要進一步的實驗與理論研究。

合肥微尺度物質科學國家研究中心的博士研究生聶林鵬、孫貺律和物理學院的博士研究生馬婉茹為論文的共同第一作者,陳仙輝教授、吳濤教授和王震宇教授為文章的共同通訊作者。相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省引導項目以及校創新團隊項目的資助。

論文連結:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04493-8

本文標題: 中國科大在籠目結構超導體研究領域取得重要進展
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656032666205542
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