中國科大在籠目超導體的競爭電子序研究獲進展

　　中國科學院院士、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、中科院強耦合量子材料物理重點實驗室教授陳仙輝團隊教授吳濤等，在籠目超導體（kagomesuperconductor）的競爭電子序研究中取得重要進展。利用高壓下的核磁共振技術，科研團隊在籠目超導體CsV3Sb5中觀察到一種由壓力誘導的電荷有序態，并發現該電荷有序態與超導態之間存在強烈的相互競爭。這一發現為探究籠目超導體中復雜的演生物理現象提供了重要的實驗依據，并為進一步在籠目超導體中探索新奇超導態提供了新方向。11月24日，相關研究成果以Emergent charge order in pressurized kagome superconductor CsV3Sb5為題，發表在《自然》（Nature）上。

　　在以往的非常規超導體研究中，科學家發現超導態與競爭電子態之間總是存在錯綜復雜的競爭現象，且超導態可與競爭電子態相互交織，進一步形成新奇的超導態，例如高溫銅氧化合物超導體中的配對密度波態。探索超導態與競爭電子態之間復雜的演生現象及其物理機制是目前超導研究領域的關鍵問題之一。最近，具有籠目結構的新型超導材料AV3Sb5（A = K, Rb, Cs）的發現為剖析上述問題提供了新穎的材料平臺。

　　二維籠目結構由于特殊的幾何結構，具有非常豐富的能帶結構特征，包括平帶（flat band）、狄拉克點（Dirac points）以及范霍夫奇點（van Hove singularities）。早期理論預測在范霍夫奇點摻雜附近，二維籠目體系可呈現出新奇的超導電性和豐富的電荷有序態，但長期以來缺乏合適的材料體系來實現相關的競爭電子態。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。此前，陳仙輝團隊揭示了該體系中的三重調制（triple-Q）的電荷密度波態【Phys.Rev. X 11, 031026 (2021)】以及新奇的電子向列相【Nature 604, 59–64 (2022)】，并通過壓力實驗觀察到電荷密度波與超導電性在壓力下的反常競爭關系【Nat. Commun.12, 3645 (2021)；Phys. Rev. Lett. 128, 077001(2022)】。

　　在上述研究基礎上，陳仙輝團隊吳濤等進一步利用核磁共振譜學技術對壓力下籠目超導體CsV3Sb5中電荷密度波態和超導態的演化開展了系統研究。實驗結果表明：當靜水壓下高于臨界壓力Pc1≈0.58GPa時，體系出現了新的電荷密度波態（圖1），同時超導電性被劇烈地壓制。核磁共振譜學分析發現，該電荷密度波態具有單向的條紋狀電荷調制，類似于之前在高溫銅氧化物超導體中發現的一種競爭電子序-電荷條紋序。當進一步增加壓力至臨界壓力Pc2≈ 2.0GPa時，新的電荷密度波態被完全壓制，超導轉變溫度也同時提升至最高值，這表明超導與新的電荷密度波態存在強烈的競爭（圖2）。

　　科研團隊通過測量原子核的自旋-晶格弛豫率發現，當新的電荷密度波在壓力下被完全抑制后，體系在低溫下呈現出強烈的電荷漲落，表明籠目超導體具有顯著的電子關聯效應，這或是來源于籠目晶格中電子-電子之間非局域的相互作用（圖3）。此外，在壓力下的超導態與常壓下的超導態具有顯著不同的自旋-晶格弛豫率隨溫度的演化行為。傳統超導體通常會在超導轉變溫度之下表現出一個特征的Hebel-Slichter相干峰，而這一特征在之前籠目超導體常壓下的核磁共振研究中已被觀察到，表明常壓下的超導態是一種傳統超導態。然而，在壓力下的核磁共振研究表明，壓力下的超導態未表現出類似的Hebel-Slichter相干峰行為（圖3），這表明籠目超導體CsV3Sb5在壓力下的超導態可能是一種非常規的超導態。

　　上述實驗揭示了籠目超導體中新奇的電子關聯效應以及豐富的演生現象，為厘清超導態與競爭電子態之間復雜的相互機制提供了新契機，并為在籠目超導體中探索新奇超導態提供了新方向，這將有助于推動該領域理論與實驗的進一步研究。研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院、安徽省等的支持。