Nat. Phys.：陈仙辉院士团队在超导体研究领域取得重要进展

光子盒研究院出品

近日，中国科学技术大学物理学院、中科院强耦合量子材料物理重点实验室陈仙辉院士、王震宇教授等人在笼目超导的电子向列相研究中取得重要进展。

使用扫描隧道显微镜，实验团队观察了kagome超导体CsV_3-xTi_xSb₅中的微观信息。相关发现不仅为理解笼目超导体的演生物理提供了重要的实验线索，也为研究实际晶格体系中电子的关联效应提供了新的方向。

5月11日，研究成果以《kagome超导体的线型状态下的单向电子-声子耦合(Unidirectional electron–phonon coupling in the nematic state of a kagome superconductor)》为题，发表在《自然·物理学》期刊上。中科大物理学院的博士研究生吴平和安徽大学的涂玉兵为文章的共同第一作者，王震宇教授和陈仙辉教授为文章的共同通讯作者。

电子向列性(nematicity)是一种普遍存在于相关量子流体中的现象，包括高温超导体(HTS)和量子霍尔系统，其中旋转对称性被电子自由度自发破坏。如今，电子向列性在铜基和铁基高温超导体、量子霍尔液体和石墨烯摩尔超晶格等系统中广泛观察到。它的驱动机制以及与其他对称性破坏相的关系（尤其是超导性），已经成为现代凝聚态物理学的一个关键焦点。
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。
近几年，笼目超导体AV₃Sb₅(A = K, Rb, Cs) 的发现为研究三角格子中的电子态对称破缺提供了一个重要平台。在笼目超导CsV₃Sb₅体系的前期研究中，陈仙辉院士团队成功揭示了面内三重调制的电荷密度波态（Phys. Rev. X11, 031026 (2021)），观察到并阐明了压力下电荷密度波的演化及其与超导态的反常竞争关系（Nat. Commun. 12, 3645 (2021)；Nature 611, 682-687 (2022)），同时发现该电荷密度波在低温下可以演化出一类新奇的电子向列相（Nature 604, 59–64 (2022)）。
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
此次，陈仙辉院士团队王震宇教授等人利用准粒子相干散射成像技术对钛掺杂的笼目超导体Cs(V, Ti)₃Sb₅中的电子向列相和超导态进行了系统的研究。该技术利用对电子（准粒子）波函数相干散射的测量从而获得单畴内的微观电子结构。
实验结果表明，在进入电子向列相后，笼目晶格所对应的电子能带出现了明显的旋转对称破缺。对电子色散和准粒子寿命的全面分析发现，电-声子耦合效应会导致笼目晶格能带上出现单向的电子自能修正，从而使得电子色散和电子低能动力学出现强烈的二度对称特征。
笼目超导中的准粒子相干散射图像与笼目能带上的单向电声子耦合
相干散射测量结果还能反映电子波函数的相干信息。研究团队发现，在电子向列相温度以上，笼目晶格能带所对应的干涉图样迅速消失，电子波函数相干性明显变差。
——这说明在该体系中，电子向列相是电子关联效应和声子共同作用所形成的电子相干态。当相干温度升高时，超导转变温度明显下降：表明这两个电子有序态之间存在着竞争关系。
可视化单向电子-模式耦合
上述结果揭示了笼目超导体向列相中电子结构的微观特征以及它和超导态的竞争关系。除了理论建模外，研究团队还表示，“未来有必要使用不同的技术对样品进行实验，以揭开这种kagome超导体中向列状态的更多细节，并了解如何这一突破有助于创造新的量子态。”
参考链接：
[1]http://quantummatter.ustc.edu.cn/index.php/Show/index/id/273[2]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02031-5[3]https://mp.weixin.qq.com/s/nuc7paXpKrZtXNn_WNGrDQ

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