中科大在籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體研究中取得重要進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中科院強(qiáng)耦合量子材料物理實(shí)驗(yàn)室和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的陳仙輝、王震宇超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)與安徽大學(xué)單磊研究組、中科院物理研究所蔣坤特聘研究員合作，近日在籠目結(jié)構(gòu)(kagome)超導(dǎo)體的研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)在籠目超導(dǎo)CsV3Sb5中觀測(cè)到三維電荷密度波和超導(dǎo)共存的現(xiàn)象，并在超導(dǎo)磁通芯子內(nèi)發(fā)現(xiàn)了馬約拉納零能模的存在跡象。有趣的是，該馬約拉納零能模特征信號(hào)隨著表面組分及電荷密度波的調(diào)制出現(xiàn)演化，這為調(diào)控馬約拉納激發(fā)提供了新的可能性。相關(guān)研究成果于8月2日以 “Three-Dimensional Charge Density Wave and Surface-Dependent Vortex-Core States in a Kagome Superconductor CsV3Sb5”為題發(fā)表于《物理評(píng)論X》上[Physical ReviewX11, 031026 (2021)]。

由于其特殊的幾何構(gòu)型，具有二維籠目結(jié)構(gòu)的材料能帶中往往具有平帶、范霍夫奇點(diǎn)和類(lèi)似于石墨烯的狄拉克型色散，因而能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列關(guān)聯(lián)拓?fù)湮飸B(tài)。當(dāng)這類(lèi)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，則有可能獲得拓?fù)浞瞧接沟某瑢?dǎo)態(tài)。AV3Sb5(A=K, Rb, Cs)是近期被發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)層狀籠目超導(dǎo)體，在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上還存在電荷密度波態(tài)，且二者在壓力下表現(xiàn)出反常的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系（Nat.Commun. 12, 3645 (2021)。除了超導(dǎo)和電荷密度波外，AV3Sb5中可存在能帶反轉(zhuǎn)，具有拓?fù)浞瞧接沟牡依吮砻鎽B(tài)。深入了解該體系中的電荷密度波和超導(dǎo)態(tài)的本質(zhì)，以及其中可能的奇特準(zhǔn)粒子激發(fā)成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

利用低溫掃描隧道顯微鏡技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在CsV3Sb5的表面上觀測(cè)到了2×2的電荷密度波序（圖A）和它所打開(kāi)的電子能隙。在臺(tái)階處的測(cè)量表明該電荷序具有三維特征(2×2×2)，在相鄰兩層籠目格子上具有相反的相位。該電荷序?qū)诫s非常敏感，在表面可以誘導(dǎo)出新的條紋狀電子序，從而出現(xiàn)不同的調(diào)制圖樣(圖C)。進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，通過(guò)在堿金屬Cs表面觀測(cè)磁通內(nèi)準(zhǔn)粒子激發(fā)隨空間的演化，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有30納米空間尺度的零能電導(dǎo)峰。該零能峰的空間分布與傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁通態(tài)不同，而與拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中馬約拉納零能模的特征一致（圖D）。這一零能峰被認(rèn)為來(lái)源于拓?fù)浞瞧接沟牡依吮砻鎽B(tài)。重要的是，隨著表面Cs原子的減少，電荷密度波調(diào)制改變的同時(shí)，磁通態(tài)的空間演化行為也發(fā)生了明顯的變化，逐漸趨向于傳統(tǒng)超導(dǎo)的情況（圖F）。這意味著在該體系中，可以通過(guò)改變表面條件和電荷密度波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)馬約拉納零能模的調(diào)控。該研究也表明籠目結(jié)構(gòu)材料是研究拓?fù)涑瑢?dǎo)的理想候選體系之一。

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A –C: CsV3Sb5不同表面的原子分辨形貌圖。D-F:不同表面情況下磁通態(tài)隨空間的演化規(guī)律。在Cs表面上，30nm空間尺度的零能電導(dǎo)峰對(duì)應(yīng)著馬約拉納束縛態(tài)的出現(xiàn)。隨著表面的演化，該特征逐漸消失。