CsV3Sb5 - 揭露深闺 star-of-David

Original Ising 量子材料QuantumMaterials 2023-03-20

在追逐高温超导材料的进程中，每一个新结构、每一束新物理的出现，都是星星之火、顷刻燎原。即便是新冠疫情之下，这种追逐依然故我。比如，最近的“kagome 超导”(抱歉，Ising 为图省事就这么称呼吧)，就是如此。超导物理人大概踏遍青山，很少想到象 AV₃Sb₅ (A = K, Rb, Cs) 这样的完美 V - kagome 网 (钒笼网) 结构过渡金属化合物会超导。当然，这类钒笼网化合物超导温度不高，组成和晶体结构也不那么复杂。但细究之下，还真是有话要好好说。

《npj QM》此前刊登过一篇有关钒笼网的学术论文 [Ece Uykur, Brenden R. Ortiz, Stephen D. Wilson, Martin Dressel & Alexander A. Tsirlin, Optical detection of the density-wave instability in the kagome metal KV₃Sb₅, npj Quantum Materials 7, 16 (2022), https://www.nature.com/articles/s41535-021-00420-8]。Ising 也生搬硬套一番，写了个简单的推广文章《笼中鸟亦有春天》，陈述了为什么这样一类奇异的体系能够超导，并且还有各种与超导电性相互竞争共存的其它量子态存在。例如，电荷密度波 charge - density - wave (CDW) 就与超导态共存。

https://phys.org/news/2020-08-manifestation-quantum-distance-flat-band.html

这里是第二篇，与第一篇就很不相同。来自中科院物理所高鸿钧老师麾下大团队的一拨精英人马，与北京师范大学和来自日本冈山大学 (Okayama University) 的 Guoqing Zheng 老师一起，针对 CsV₃Sb₅ 中的 CDW 结构及其物理开展了实验研究。所得结果最近发表于我们《npj QM》上。

Ising 外行，拜读了半天他们的文章，有如下粗浅体会：

(1) 所有的非常规超导，其中量子态共存与竞争是物理的核心内涵。理解这种物理，方能理解非常规超导机制，并为改善之而积累新思路和新方法。

(2) 绝大部分相图中，与超导相 superconductor (SC) 共存竞争的主要量子态就是 CDW 相。其中一个道理，便是 CDW 和 SC 大模样上同源，都源于电 - 声子耦合 electron - phonon coupling (EPC)。引起我们关注的是，CDW 出现的温度 (~ 90 K) 通常比 SC 的温度 (~ 2 K) 高很多，可不是高一点点。

(3) 对非常规而言，CDW 中有没有 SC 形成的痕迹或者影子？或者说如果找到压制 CDW 的方法，是不是就能有利于 SC 形成？这个方法是不是、或者为何就能够提高 SC 温度？

这样的一些体会，至少足够让 Ising 理解了这是一个好问题，但不知道这是不是高老师他们去研究这个问题的部分动机？事实上，对钒笼网化合物中 CDW 的各种相关研究，前人已经做了不少，包括一众高大上的 ARPES、SdH 振荡量子输运、磁性、中子和同步辐射、STM 隧道谱测量等等。这些测量表征，使得物理人对化合物晶体和电子结构已经有了较为全面的认识。不过，也不是问题都解决了，遗留的问题还很多、也很重要：

(1) CsV₃Sb₅ 化合物，沿 c 轴方向看去，由 A - Sb - VSb -Sb - A 组成层状结构，其中 VSb 层中的 V 构成完美的平面 kagome 结构。这种结构被猜测可能呈现 star of David 排列或者 tri-hexagonal 排列。

(2) V-kagome 面内是否存在特定的量子相涨落？如 pairing - density - wave (PDW)，即类似于库珀对密度波的模式？

当然，物理人可以通过构建各种结构模型，以与上述各种高大上表征手段得到的结果进行比对，形成对其结构的认识结论。这是量子材料研究的主流方法和模式。能不能有更为直接的实验观测，或者说，能不能对 V-kagome 原子面进行直接成像和谱学观测，以得到这个面的直接观测结果？

遗憾的是，到目前位置，得到的 CsV₃Sb₅单晶，表面要么是 Cs 占据的晶面、要么是纯 Sb 占据的晶面，那个 V-Sb 混合的 V - kagome 晶面就是不出来。这妨碍了利用 STM 进行结构和谱学观测的可行性。V - kagome 不露峥嵘的原因，Ising 猜测也许是这个晶面乃 V-Sb 混合面，因此有更大的组态熵？总之，要获得 V - kagome 面的晶体和电子结构特征，而一时又无法直接得到裸露的 V - Sb 混合面，那就得有 V 敏感的探测技术，使得即便不裸露也能被探测，对吧？所以，我们说这是“揭露深闺 star-of-David”。

OK，动机出来了，接下来就是看谁近水楼台先得月了。果然，高老师、郑老师他们拥有 ⁵¹V 的核磁共振 NMR 装备和 ^121/123Sb 的核四极共振 NQR (nuclear quadrupole resonance) 装备，让人一下子豁然开朗。接下来，他们对 V - kagome 晶面中的 CDW 量子态及其性质进行了探测研究。最主要的结论就两点：(1) CDW 在结构上是公度的 (commensurate)；(2) V - kagome 晶面呈现 star of David 排列。当然，还有一些更为详细的物理呈现，但这两个结论已经足够对 CDW 进行评头论足了。其它事宜，Ising 就不在此班门弄斧。