高鸿钧院士/汪自强教授今日《Nature》

笼目（Kagome）晶格这一概念是在1951年首次提出的，Kagome晶格由于其特殊的几何构型（共角连接三角形构成的结构）具有独特的电子结构。具有Kagome结构的材料中一般具有平带、范霍夫奇点和类似于石墨烯的狄拉克型色散，因而能够诱导产生一系列关联拓扑物态。理论预言在平带系或者掺杂的Kagome晶格材料中有可能存在超导电性。然而实际的Kagome体系中超导电性的研究近期逐渐涌现。

最近，关于笼目超导体材料CsV₃Sb₅又有一重磅新发现。中科院物理所高鸿钧院士团队联合美国波士顿学院汪自强教授在CsV₃Sb₅中观察到的非常规超导性和对密度波(PDW)。相关工作以“Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor”为题发表在最新一期的《Nature》上。

【CsV₃Sb₅的原子结构】

高质量生长的CsV₃Sb₅晶体表现出Cs-Sb2-VSb1-Sb2-Cs层的堆叠结构，具有六边形对称（空间群P 6/mmm）。在VSb1层中，钒的Kagome网与由Sb1原子形成的简单六边形网交织在一起。低温下样品的磁化强度、电阻率和热容量测量结果显示，在~2.8 K的临界超导温度(Tc)下会转变为超导(SC)状态。Tc比文献中报道的略高(2.5 K)表明生长的CsV₃Sb₅晶体的高品质，这为通过原子分辨STM/STS更深入地了解超导性质和共存电子秩序提供了机会。

CsV₃Sb₅的原子结构和表面鉴定。

【强耦合超导体CsV₃Sb₅】

作者使用STS在电子温度300 mK下研究SC态，观察到费米能级(EF)附近的粒子-空穴对称微分电导(dI/dV)，显示了Cs和Sb表面上的V形间隙，在关于EF的能量对称处具有两个间隙边缘峰。Cs表面dI/dV光谱的温度演变表V 形间隙随着电子温度的升高而减小，并在~2.3 K附近消失。由于Cooper对的Josephson隧穿效应，观察到具有两个负差分电导下降的尖锐零偏置峰，这有力证明了CsV₃Sb₅表面处于SC相。结果表明，观察到的V形间隙是在CsV₃Sb₅表面上的Tc~2.3 K处打开的SC间隙。在EF处具有非零局部状态密度（LDOS）的V形SC间隙强烈表明CsV₃Sb₅的非常规超导性。此外，测量的间隙与Tc比2Δ/k_BT_c~5.2将非常规超导体置于强耦合状态。

在Cs和Sb表面使用超导STM针观察到的V形配对间隙和Josephson效应。

【CsV₃Sb₅共存的电荷密度波】

作者接下来使用高分辨率STM/STS在远低于Tc的300 mK电子温度下探测非对角线长程有序量子态的空间分布。70 nm×70 nm大面积上的STM形貌显示周期性调制，表明CDW的存在。校正之后，相应的傅里叶变化显示除了原始Sb晶格的原子布拉格峰，还有两组新峰。一组对应Kagome晶格上的2a₀×2a₀超结构，一组对应单向4a₀调制。结果表明，2a₀×2a₀和4a₀单向CDWs与超导共存，产生了近晶超导体。

STM形貌、dI/dV图和300 mK处的线切割揭示了Sb表面上超导性的CDW、PDW和空间调制。

【PDW作为“基态”和紧急赝隙】

作者通过沿c轴施加磁场来进一步研究PDW的性质。以六边形涡旋晶格中的涡旋为中心获得dI/dV(r,-5 mV)图。与铜酸盐相比，8a₀PDW仅出现在具有抑制但非零超导性的涡旋中，4a₀/3旋子-PDW足够强，可以在涡晕和超导体中出现为零场。当磁场升高到2 T时，SC间隙消失，超导性被抑制在300 mK。随着磁场增强消除超导性，这些共存的密度波定义了一个“零温度”赝隙相位。在空间平均dI/dV谱中非色散Q_3q-4a/3峰仅在赝隙的能量范围内可见（~±5 meV），在较高能量下不存在。这表明观察到的4a₀/3 3Q PDW是导致赝隙的“基态”的一个有趣的可能性。

CsV₃Sb₅在300 mK磁场和4.2 K零场中的PDW和赝隙。

【结论】

该工作中，CsV₃Sb₅表现出V形配对间隙Δ~0.5 meV，是一种强耦合超导体(2Δ/k_BT_c~5)与4a₀单向和2a₀×2a₀电荷顺序共存。其中，3Q PDW伴随着双向4a₀/3超导间隙、隧道电导中的相干峰和间隙深度的空间调制。并将这种新型量子态称为与潜在涡旋-反涡旋晶格相关的旋子-PDW，可以用来解释观察到的电导调制。该研究结果显示出与高温铜酸盐超导体现象学的惊人相似和区别，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。

文章来源：

Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor. Natrue

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03983-5

来源：高分子科学前沿

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