通過結(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)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(xiàn)不同的奇異物態(tài)。例如,準(zhǔn)二維Kagome晶格是研究幾何阻挫、非平庸拓?fù)淠軒б约岸喾N電子自由度耦合與競爭的重要平臺。最近發(fā)現(xiàn)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(guān)注。實驗研究發(fā)現(xiàn),AV3Sb5體系在高溫78-103 K發(fā)生類電荷密度波(CDW)相變,在低溫0.93-2.5 K出現(xiàn)超導(dǎo)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?fù)鋵傩缘姆瞧接鼓軒ЫY(jié)構(gòu)。此外,這個體系在低溫還存在巨大的反常霍爾效應(yīng);STM研究發(fā)現(xiàn)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?yīng)存在緊密聯(lián)系。近期,人們針對AV3Sb5體系中的類CDW相變和超導(dǎo)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(tài)和奇異物性,通過進一步調(diào)控不同基態(tài)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(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)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(tài)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(lián)合中國人民大學(xué)的雷和暢教授以及日本東京大學(xué)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(huán)境下,對高質(zhì)量的CsV3Sb5單晶開展了仔細(xì)的高壓磁電輸運以及磁性測量,他們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)CsV3Sb5單晶的CDW逐漸被高壓抑制,但是其超導(dǎo)相出現(xiàn)了非單調(diào)變化的雙拱形相圖,這與在中間壓力區(qū)間CDW的特征變化是緊密相聯(lián)系的,最終在CDW消失的臨界壓力2 GPa附近其超導(dǎo)Tc升高至約8 K,比常壓Tc提高了近3倍。這些結(jié)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。
他們首先利用活塞-圓筒壓腔測試了CsV3Sb5單晶在0-2.2 GPa范圍之間的電阻率-溫度依賴關(guān)系,如圖1所示,CDW相變表現(xiàn)為電阻率上銳利的向下彎折,其對應(yīng)在電阻率導(dǎo)數(shù)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(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系墓陌?,對?yīng)電阻率導(dǎo)數(shù)也由尖峰轉(zhuǎn)變?yōu)樯罟龋贿@表明壓力導(dǎo)致CDW的性質(zhì)變化。隨著壓力進一步升高至2 GPa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(dǎo)Tc呈現(xiàn)出非單調(diào)變化,在中間壓力區(qū)間由于超導(dǎo)與CDW競爭更加明顯,導(dǎo)致其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變進一步展寬以及超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯下降。根據(jù)以上結(jié)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(diào)抑制了CDW,但是其超導(dǎo)Tc(P)呈現(xiàn)出M形的非單調(diào)演化行為,同時,其臨界場也表現(xiàn)出兩個峰值的特征,由于臨界場與電子有效質(zhì)量呈正相關(guān)的關(guān)系,因此,Pc2對應(yīng)于CDW的消失以及超導(dǎo)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(yīng)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(xiàn)第一個超導(dǎo)穹頂?shù)脑?,這也可以理解電阻率以及電阻率導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)異常的現(xiàn)象。上述研究結(jié)果對于進一步理解Kagome超導(dǎo)體AV3Sb5中的物理現(xiàn)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(xié)作提供了重要實驗依據(jù)。
該工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃,中科院B類先導(dǎo)專項以及綜合極端條件實驗裝置(SECUF)的支持。
[1] K. Y. Chen, N. N. Wang, Q. W. Yin, Y. H. Gu, K. Jiang, Z. J. Tu, C. S. Gong, Y. Uwatoko, J. P. Sun, H. C. Lei, J. P. Hu, and J.-G. Cheng;“Double superconducting dome and triple enhancement of?Tc?in the kagome superconductor CsV3Sb5?under high pressure”,?Physical Review Letters?126, 247001 (2021).
鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.247001

圖1. 0-2.2GPa范圍內(nèi)CsV3Sb5單晶的電阻率以及電阻率導(dǎo)數(shù)的溫度依賴關(guān)系。

圖2. CsV3Sb5單晶在不同壓力下的低溫電阻率與磁化率數(shù)據(jù)。

圖3. CsV3Sb5單晶的溫度-壓力相圖。

圖4. CsV3Sb5單晶高壓下的能帶結(jié)構(gòu)。