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日前,北京理工大学物理学院王秩伟研究员、姚裕贵教授团队在笼目结构 (Kagome structure) 超导体CsV3Sb5材料中取得系列进展。笼目结构材料一直是凝聚态物理领域的研究热点,由于特殊的结构特性导致电子被局域在蜂窝状六边形内,这类材料通常会形成平带(flat band)、鞍点(saddle point)、以及具有线性色散关系的狄拉克点(Dirac point),并由此表现出量子自旋液体、电荷密度波、自旋密度波以及非常规超导电性等奇特量子态。近期发现的 A V3Sb5 ( A ="K," Rb, Cs) Kagome结构超导体家族由于同时具有拓扑非平庸狄拉克能带、电荷密度波(CDW)、超导电性(SC)以及反常Hall效应(AHE)等量子现象,迅速在凝聚态物理领域引起广泛的关注和研究。

图1 CsV3Sb5樣品的電學和磁學性質

图2 CsV3Sb5中觀察到的兩種調制結構和手性電荷序

图3 1×4调制结构形成的畴壁

高質量單晶樣品的獲得是開展相關實驗研究的前提,李永恺博士生在王秩偉研究員指導下,經過一系列晶體生長參數調控和優化後,得到了高質量的CsV3Sb5单晶样品,单晶衍射峰的半高宽只有0.07°。电输运和磁性测试表明该材料在91K附近存在CDW相变,在3K附近发生超导转变,同时还观察到明显的反常霍尔信号,如图1所示。进一步与普林斯顿大学M. Z. Hasan团队等人合作,通过低温STM测量发现手性电荷序现象,并观察到了2×2和1×4两种调制结构,如图2所示。其中2×2电荷调制结构跟该体系中的CDW紧密相关,而且由电荷序打开的能隙的振幅表现出实空间调制特性,具有2×2的手性特征,这反应了手性电荷序的电子性质。而1×4调制结构形成不同的畴壁,畴壁之间存在120°的固定夹角,如图3所示。该工作发表在PRB上 [Phys. Rev. B 104, 075148 (2021)],并被选为编辑推荐文章。

CsV3Sb5材料中CDW的驅動機制及其與超導電性的關系一直是大家關注的焦點,爲了研究體系的CDW驅動機制和超導電性,研究團隊跟南京大學聞海虎教授課題組展開合作,首先利用紅外光譜對CsV3Sb5中的CDW进行了深入研究。发现在 T CDW = 91 K以上,该材料低频的光电导表现出明显的Drude响应,与该材料的金属性相符。在 T CDW以下觀察到典型的電荷密度波的光學特征。進一步通過對所有溫度的光電導譜進行Drude-Lorentz擬合,如圖4所示。發現CDW能隙在M點的鞍點處打開,而Γ點附近的電子帶和K點附近的Dirac帶均不受影響。該結果表明,M點處的鞍點通過波矢Q的嵌套可能是CsV3Sb5中电荷密度波的驱动机制。该工作以Letter的形式发表在PRB上[Phys. Rev. B 104, L041101 (2021)],并被选为编辑推荐文章。随后,他们对CsV3Sb5在c方向的电阻率进行测量(如图5所示),电流沿着c方向并始终垂直于磁场,磁场平行于ab面并在面内旋转。可以看出不同磁场条件下的电阻率随角度的变化曲线存在明显的二重对称性,破坏了晶体结构的面内六重(或三重)对称性。在外加磁场小于2.4 T(对应超导态)和大于2.4 T(对应正常态),电阻率极小值对应的磁场方向相互垂直,说明超导态和正常态二重对称性相互垂直。进一步研究了这两种二重对称性随温度的变化关系,结果如图6所示。可以看到,低磁场下超导态对应的电阻二重对称性在超导转变温度附近迅速消失,而高磁场下正常态测量到的二重对称性随着温度升高减弱,并在CDW转变温度附近消失,这些结果大大丰富了人们对这一笼目结构超导材料及其物性的认识。相关结果发表在NC上[ Nat. Commun. 12, 6727 (2021)]。

图4 光电导谱的拟合,计算得到的能带结构图,实验与理论的光电导谱对比,以及拟合得到的各种参数的温度依赖

图5 c轴电阻率随磁场方位角的变化

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图6 c轴电阻率的二重对称性随温度的变化关系

Kagome结构材料中通常会形成平带、鞍点以及具有线性色散关系的狄拉克点,为了对该体系材料的能带结构进行全面而深入的研究,研究团队与日本东北大学的T. Sato课题组一起,利用角分辨光电子能谱(ARPES)研究了CsV3Sb5材料的電子能帶結構及其調控。

图7 CsV3Sb5的能帶結構和多重Dirac點

图8 费米面附近沿MK方向的能带结构

首先在CsV3Sb5母相材料中观察到了鞍点和狄拉克点,如图7所示。进一步,当体系温度降至CDW转变温度以下时,观察到CDW能隙,而且该能隙有很强的费米面和动量依赖特性,如图8所示。相关结果以Letter的形式发表在PRB上[Phys. Rev. B 104, L161112 (2021)]。更进一步,通过在CsV3Sb5材料表面进行原位Cs原子沉积,首次实现了体系的电子掺杂,并由此操控体系的CDW及能带。Cs沉积对该材料的电子掺杂具有轨道选择性,其特征是Sb 5 p z和V 3 d xz/yz能带的电子填充显著增加,而V 3 d xy/x2?y2能带则相对稳定。通过研究M点周围CDW能隙随温度的变化关系,发现Cs修饰可以完全抑制CDW,同时使鞍点保持在费米能级,如图9所示。该结果表明,多轨道效应对CDW的产生起着至关重要的作用,同时由于CDW和超导之间的竞争,这为未来在 A V3Sb5体系中操纵CDW和超导电性提供了可能。相关结果发表在PRX上[Phys. Rev. X 12, 011001 (2022)]。

图9 表面未经处理和经过Cs处理的CsV3Sb5樣品的電子能帶結構

上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北京理工大學青年教師學術啓動計劃等相關項目的支持。

相關文章鏈接:

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.075148

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.L041101

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.L161112

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27084-z

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.011001


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