科大在笼目结构超导体研究领域取得重要进展

中国科大在笼目结构超导体研究领域取得重要进展        
     

我校合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院强耦合量子材料物理重点实验室陈仙辉、吴涛和王震宇等组成的研究团队，近日在笼目结构（kagome）超导体的研究中取得重要进展。研究团队在笼目超导体CsV3Sb5中观测到电荷密度波序在低温下演化为由three state Potts模型所描述的电子向列相，该向列相的发现不仅为理解笼目结构超导体中电荷密度波与超导电性之间的反常竞争提供了重要实验证据，也为进一步研究关联电子体系中与非常规超导电性密切相关的交织序（intertwined orders）提供了新的研究方向。相关研究成果于2月9日以 “Charge-density-wave-driven electronic nematicity in a kagome superconductor”为题在Nature杂志上以“Accelerated Article Preview”的方式在线发表 。   

图：笼目结构超导体中三重调制电荷密度波导致的电子向列序与超导电性的物理示意图

电子向列相是一种由电子自由度旋转对称性的自发破缺而产生的电子有序态，其广泛存在于高温超导体、量子霍尔绝缘体等电子体系。电子向列相与高温超导电性之间存在着紧密的联系，被认为是一种与高温超导相关联的交织序，是高温超导的理论研究中重大的科学问题和研究热点。探索具有新结构的超导材料体系，从而进一步研究超导与各种交织序的关联是当前领域的一个重要研究方向，其中一类备受关注的体系为二维笼目结构。理论预测在范霍夫奇点（van Hove singularities）掺杂附近，二维笼目体系可呈现出新奇的超导电性和丰富的电子有序态，但长期以来缺乏合适的材料体系来实现其关联物理。近年来，笼目超导体CsV3Sb5的发现为该方向的探索提供了新的研究体系。中科大超导研究团队在前期研究中已成功揭示了该体系中面内三重调制（triple-Q）的电荷密度波态（Phys. Rev. X 11, 031026 (2021)），以及电荷密度波与超导电性在压力下的反常竞争关系（Nat. Commun. 12, 3645 (2021)）。

在这些基础上，研究团队充分结合了扫描隧道显微镜、核磁共振以及弹性电阻三种实验技术，针对CsV3Sb5中的电荷密度波态的演化进行了细致的研究。他们发现体系在进入超导态之前，三重调制电荷密度波态会进一步地演化为一种热力学稳定的电子向列相，并确定转变温度在35开尔文左右。该电子向列相与之前在高温超导体中观测到的电子向列有所不同：高温超导体中的电子向列相是Ising类型的向列相，具有Z2对称性；而在笼目超导CsV3Sb5中发现的电子向列相具有Z3对称性，在理论上被three state Potts模型所描述，因而也被称为“Potts”向列相。有趣的是，这种新型的电子向列相最近在双层转角石墨烯体系中也被观察到。

这些发现不仅在笼目结构超导体中揭示了一种新型的电子向列相，也为理解这类体系中超导与电荷密度波之间的竞争提供了实验证据。之前的扫描隧道谱研究表明，CsV3Sb5体系中可能存在超导电性与电荷密度波序相互交织而形成的配对密度波态（Pair density wave state，PDW）。在超导转变温度之上发现的电子向列序，可以被理解成一种与PDW相关的交织序，这一研究结果也为理解高温超导体中的PDW提供了重要的线索和思路。如何理解笼目结构超导体中超导电性及其交织序的形成机制还需要进一步的实验与理论研究。

合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士研究生聂林鹏、孙贶律和物理学院的博士研究生马婉茹为论文的共同第一作者，陈仙辉教授、吴涛教授和王震宇教授为文章的共同通讯作者。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省引导项目以及校创新团队项目的资助。

论文链接：https:// www.nature.com/articles/s41586-022-04493-8

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、科研部）

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该向列相的发现不仅为理解笼目结构超导体中电荷密度波与超导电性之间的反常竞争提供了重要实验证据，也为进一步研究关联电子体系中与非常规超导电性密切相关的交织序（intertwined orders）提供了新的研究方向