高鸿钧&汪自强Nature：揭秘钒基Kagome金属中相关电子态和超导性的微观起源

【研究背景】

过渡金属kagome晶格材料承载着物质的受挫、关联和拓扑量子态。最近，发现了一个具有拓扑能带结构的钒基kagome金属AV₃Sb₅（A=K、Rb和Cs）新家族，在6.6 GPa静水压、1.5 K最低温和8T磁场的综合极端环境下，高压磁电输运以及磁性测量结果发现CsV₃Sb₅单晶的CDW逐渐被高压抑制，但是其超导相出现了非单调变化的双拱形相图，这与在中间压力区间CDW的特征变化是紧密相联系的，最终在CDW消失的临界压力2 GPa附近其超导Tc升高至约8 K，比常压Tc提高了近3倍。这些层状化合物是非磁性的，在低温下发展超导电性之前经历电荷密度波跃迁。

【成果简介】

近日，中国科学院物理研究所高鸿钧教授，美国波士顿学院汪自强教授联合报道了使用扫描隧道显微镜/光谱(STM/STS)和约瑟夫森STS在CsV₃Sb₅中观察到的非常规超导性和对密度波 (PDW)。研究发现，CsV₃Sb₅具有V型对隙Δ~0.5 meV，是一种强耦合超导体(2∆/kBTc~5)，与 4a0 单向和 2a0×2a0 电荷顺序共存。值得注意的是，作者发现一个3Q PDW伴随着超导间隙、相干峰和隧穿电导间隙深度的双向4a0/3空间调制。本工作将这种新的量子态称为与底层涡旋-反涡旋晶格相关的roton-PDW，它可以解释观测到的电导调制。研究结果显示出与高温铜酸盐超导体现象的惊人相似和区别，并为理解钒基Kagome金属中相关电子态和超导性的微观起源提供了基础。该文章近日以题为“Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor”发表在知名顶刊Nature上。

【图文导读】

图一、CsV3Sb5 的原子结构和表面鉴定

图二、在Cs和Sb表面观察到的V形配对间隙和约瑟夫森效应

图三、Sb表面上超导性的CDW、PDW和空间调制

图四、CsV₃Sb₅中300 mK磁场和4.2 K零场中的PDW和赝隙

【全文总结】

非常规超导性可以在模型计算中从Kagome晶格上的局部和扩展电子相关性中产生。然而，作者发现的物理学远远超出了CsV₃Sb₅是另一种候选的非常规超导体。它体现了一组高度激发的量子电子态和激发，显示出惊人的类比和区别，并且可能掌握解决铜酸盐高温超导体中一些突出问题的共同关键，包括近晶电子液晶态、相互作用PDW、CDW和相互交织的电子秩序，以及它们对赝隙现象和非常规超导性的影响。该发现为未来研究非常规SC状态、roton-PDW和共存的电荷顺序如何从相关的Z2拓扑kagome带微观起源以及AV₃Sb₅中出现的拓扑超导性的前景提供了基础和见解。

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

本文由大兵哥供稿。

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