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一天两篇《Nature》!超导体又取得重要进展

来源:材料科学与工程 1318 2021-11-29

颗粒在线讯:过渡金属原子的kagome晶格,为在几何受挫和非平凡能带拓扑存在的情况下,研究电子关联提供了一个激动人心的平台,并不断带来惊喜,在高鸿钧院士/汪自强教授Nature超导领域新发现后,来自美国波斯顿学院的Ilija Zeljkovic等研究者同一天报道了使用光谱成像扫描隧道显微镜发现一个新的kagome超导体CsV3Sb5中不同的对称破缺电子态作为温度的函数级联。相关论文以题为“Cascade of correlated electron states in a kagome superconductor CsV3Sb5”发表在Nature上。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03946-w

超导体又取得重要进展

由原子组成的量子固体排列在共享角三角形的晶格上(kagome晶格)是一个探索新的相关和拓扑电子现象的迷人游乐场。由于其固有的几何受挫,kagome系统预测具有一系列奇异的电子态,如键和电荷有序,自旋液相和手性超导等。到目前为止,大多数实验工作都集中在过渡金属kagome磁体上,例如Co3Sn2S2、FeSn和Fe3Sn2,其中不同形式的磁性主导了低温电子基态。在没有磁有序的情况下,电子关联在原则上有利于出现新的对称破缺电子态,但由于磁有序的趋势,这在许多现有的kagome材料中很难探索。

AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs),是最近发现的一类不呈现可分辨磁序的kagome金属。这类材料已经在非平凡的拓扑环境中显示出了不寻常的电子行为,比如巨大的异常霍尔响应,源自于巨大的贝里曲率,以及kagome系统中罕见的超导现象。理论表明,AV3Sb5的能带结构具有非平凡的拓扑不变量,并结合显现的超导性,在铁基高Tc超导体家族中与拓扑金属形成有趣的平行关系。由于费米能级附近的van Hove奇点和费米表面的准一维区域造成的态密度大,也为在kagome晶格上寻找难以捉摸的相关态提供了理想的场所。虽然理论预测了kagome晶格电子结构的空间对称破缺的许多可能性,但它们的实验实现一直具有挑战性。

在这里,研究者利用光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM),在kagome超导体CsV3Sb5中发现了对称破缺相的级联与温度的函数关系,可检测为不同的电荷有序态和各向异性准粒子散射特征。这些相在正常状态下发展,并在超导Tc以下持续存在。实验证明,CsV3Sb5中的超导性,来自于本应破缺的旋转和平移对称的电子态,并与之共存。在远高于超导跃迁温度(Tc~2.5 K)的温度下,研究者揭示了一个具有2a0周期的三元电荷序,打破了晶格的平移对称性。当系统冷却到Tc时,研究者在费米能级上观察到一个显著的V型光谱缺口,并在超导跃变过程中持续破坏了六重旋转对称性。在微分电导图中,出现了额外的4a0单向电荷阶和强各向异性散射。后者可直接归因于钒kagome能带的轨道选择重正化。该实验揭示了可在kagome晶格上共存的复杂电子态,并提供了与高温超导体和扭曲双层石墨烯有趣的相似之处。

图1 表面表征

图1 表面表征。

图2 大尺度电子特性

图2 大尺度电子特性。

图3 低温下电荷有序

图3 低温下电荷有序。

图4 CsV3Sb5准粒子干涉(QPI)中旋转对称破缺的可视化研究

图4 CsV3Sb5准粒子干涉(QPI)中旋转对称破缺的可视化研究。

未来的实验,应该通过更详细的温度、能量和掺杂相关的测量来解决不同相之间的竞争,同时也要寻找本征拓扑超导性和非平凡能带拓扑预计会出现的Majorana模式的证据。

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