高温超导体|进展 | Kagome超导体CsV3Sb5的高压研究进展_科学|电阻率|科普|科技

通过结构设计使固体材料晶格中的原子按照特定方式排列，可以有效调控电子自旋、电荷以及轨道自由度间的相互作用，进而可实现不同的奇异物态。
例如，准二维Kagome晶格是研究几何阻挫、非平庸拓扑能带以及多种电子自由度耦合与竞争的重要平台。最近发现的具有完美V离子二维Kagome晶格的AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)吸引了广泛关注。实验研究发现， AV3Sb5体系在高温78-103 K发生类电荷密度波（CDW）相变，在低温0.93-2.5 K出现超导电性。同时，角分辨光电子能谱（ARPES）以及第一性原理计算表明该体系在费米能级附近有多个线性色散的具有Z2拓扑属性的非平庸能带结构。此外，这个体系在低温还存在巨大的反常霍尔效应；STM研究发现CDW具有三维性，并且在相变温度以下具有的手性电荷序可能与反常霍尔效应存在紧密联系。近期，人们针对AV3Sb5体系中的类CDW相变和超导电性开展了大量的理论和实验研究。由于该体系中存在多种有序态和奇异物性，通过进一步调控不同基态的竞争与演化，将有助于深入理解其奇异物性的起源。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX6组的博士生陈科宇、王宁宁、孙建平副研究员和程金光研究员，与凝聚态理论与材料计算重点实验室T06组的蒋坤特聘研究员、胡江平研究员，联合中国人民大学的雷和畅教授以及日本东京大学的Yoshiya Uwatoko教授，采用活塞-圆筒压腔和六面砧大腔体高压低温物性测量装置，在6.6 GPa静水压、1.5 K最低温和8 T磁场的综合极端环境下，对高质量的CsV3Sb5单晶开展了仔细的高压磁电输运以及磁性测量，他们的结果发现CsV3Sb5单晶的CDW逐渐被高压抑制，但是其超导相出现了非单调变化的双拱形相图，这与在中间压力区间CDW的特征变化是紧密相联系的，最终在CDW消失的临界压力2 GPa附近其超导Tc升高至约8 K ，比常压Tc提高了近3倍。这些结果对理解AV3Sb5体系中的竞争电子序以及相互作用具有重要意义。

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图1. 0-2.2GPa范围内CsV3Sb5单晶的电阻率以及电阻率导数的温度依赖关系。
他们首先利用活塞-圆筒压腔测试了CsV3Sb5单晶在0-2.2GPa范围之间的电阻率-温度依赖关系，如图1所示， CDW相变表现为电阻率上锐利的向下弯折，其对应在电阻率导数上为一个尖峰，随着压力的逐渐升高， CDW逐渐被压制；但是在0.6-0.9GPa时， CDW在电阻上的特征由向下的弯折转变为向上的鼓包，对应电阻率导数也由尖峰转变为深谷；这表明压力导致CDW的性质变化。随着压力进一步升高至2GPa附近， CDW被完全压制。高压电阻率和交流磁化率显示（图2），随着压力的逐渐升高，其超导Tc呈现出非单调变化，在中间压力区间由于超导与CDW竞争更加明显，导致其超导转变进一步展宽以及超导体积分数出现明显下降。

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图2. CsV3Sb5单晶在不同压力下的低温电阻率与磁化率数据。
根据以上结果可以建立CsV3Sb5单晶的温度-压力相图，如图3所示。从相图中可以看出高压单调抑制了CDW ，但是其超导Tc(P)呈现出M形的非单调演化行为，同时，其临界场也表现出两个峰值的特征，由于临界场与电子有效质量呈正相关的关系，因此， Pc2对应于CDW的消失以及超导Tcmax ≈ 8 K的最大值可能具有量子临界点的特征，而Pc1是否也对应于量子临界点值得进一步研究。为了理解上述高压相图，他们还计算了CsV3Sb5在不同压力下的电子能带结构。

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图3. CsV3Sb5单晶的温度-压力相图。
如图4所示，由于在高压下c轴减小的比a轴更快，因此其电子结构沿c轴的色散更加明显，在高压下CDW沿c轴波矢的消失可能是在Pc1出现第一个超导穹顶的原因，这也可以理解电阻率以及电阻率导数出现异常的现象。上述研究结果对于进一步理解Kagome超导体AV3Sb5中的物理现象提供了新的视角，同时对理解多重电子序之间的竞争与协作提供了重要实验依据。

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图4. CsV3Sb5单晶高压下的能带结构。
该工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划，中科院B类先导专项以及综合极端条件实验装置（SECUF）的支持。
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