北理工團(tuán)隊(duì)在籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-09-06 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院王秩偉研究員、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)，與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)何俊峰教授、喬振華教授，以及中科院物理研究所高鴻鈞院士等人合作在《自然通訊》（Nature Communications）發(fā)表了對籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料CsV3-xTaxSb5中范霍夫奇點(diǎn)（von Hove Singularity, VHS）的研究。
在關(guān)聯(lián)材料體系中，VHS為理解電子態(tài)密度發(fā)散提供了一個(gè)范例。在VHS處，電子庫侖力占主導(dǎo)，這反過來又會導(dǎo)致系統(tǒng)中多重不平衡態(tài)的出現(xiàn)，包括電荷密度波（CDW）、自旋密度波（SDW）、d波超導(dǎo)體等。在該類超導(dǎo)體中，一個(gè)理想的范霍夫情景主要通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn)。一種是增加態(tài)密度，通過常規(guī)或非常規(guī)的電子-玻色子配對來完成庫珀配對；另一種是由VHS處共存的電子和空穴之間的庫侖力驅(qū)動形成非常規(guī)的電子配對。這對VHS的能級位置要求嚴(yán)格，使其在真實(shí)材料中的實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性。最近，AV3Sb5 籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料系列得到了廣泛關(guān)注。其電子結(jié)構(gòu)中存在著多個(gè)VHS，同時(shí)該材料中存在二維VHS的兩種主要的不平衡態(tài)——CDW和超導(dǎo)，這為我們探索范霍夫情景提供了良好的研究平臺。雖然理論預(yù)測得到了良好的結(jié)果，但是依然缺少實(shí)驗(yàn)證據(jù)來表明VHS的作用。
在該工作中，通過對比研究了母相CsV3Sb5和Ta摻雜CsV3-xTaxSb5（x~0.4）。我們發(fā)現(xiàn)CsV2.6Ta0.4Sb5材料的CDW被完全抑制，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）達(dá)到最高，約為5.5K，是CsV3Sb5系列材料中觀察到的常壓條件下的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。主要結(jié)論有：（1） 對摻雜Ta的材料進(jìn)行角分辨光電子能譜儀的測試，表明籠目晶格中V 原子d軌道在費(fèi)米能級的M點(diǎn)處形成了完美的VHS，實(shí)現(xiàn)了類電子帶與類空穴帶的共存。這一結(jié)果通過第一性原理計(jì)算得到定量地再現(xiàn)；（2）進(jìn)一步證明了，CDW等競爭序的抑制不足以解釋Tc的提高，而且Tc（超導(dǎo)能隙）與VHS在沒有競爭序樣品中的能級位置有關(guān)。同時(shí)，隨Ta原子的替換，其他低能態(tài)及相關(guān)的電子-玻色子耦合的變化可以忽略不計(jì)。因此，該工作的結(jié)果直接建立了顯著增強(qiáng)的超導(dǎo)性和在費(fèi)米能級上的VHS之間的聯(lián)系；（3）光譜成像的掃描隧道顯微鏡（STM）測量進(jìn)一步揭示了CsV3-xTaxSb5（x~0.4）的超導(dǎo)態(tài)不同于母體CsV3Sb5。這些結(jié)果證明了范霍夫情景在籠目超導(dǎo)體中是可以存在的。
物理學(xué)院博士生劉錦錦為文章的共同第一作者，王秩偉研究員為共同通訊作者。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計(jì)劃等相關(guān)項(xiàng)目的支持。
圖1. 25K下CsV-3Sb5和CsV2.6Ta0.4Sb5的能帶結(jié)構(gòu)圖
圖2 對比母體CsV3Sb5，CsV2.6Ta0.4Sb5獨(dú)特的超導(dǎo)態(tài)
相關(guān)文章鏈接如下：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39500-7
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