籠目晶格(kagome)材料具有獨特的共頂點三角形二維網(wǎng)格，從而呈現(xiàn)幾何阻挫、平帶、狄拉克交點，范霍夫奇異點、拓撲能帶以及子晶格量子干涉效應(yīng)等特征，孕育了豐富的量子物態(tài)。基于過渡金屬的籠目晶格化合物，是探索幾何阻挫、關(guān)聯(lián)效應(yīng)、磁性及拓撲等豐富物理性質(zhì)的重要材料體系。近年來籠目金屬AV3Sb5(A=K, Rb, Cs) 中涌現(xiàn)出豐富的量子物性，其非常規(guī)電荷密度波與超導(dǎo)競爭，并與多種對稱性破缺(空間平移對稱性、空間旋轉(zhuǎn)對稱性和時間反演對稱性等)相互交纏。因此探索合成全新的、沒有電荷密度波序的籠目超導(dǎo)材料，在研究電子關(guān)聯(lián)、對稱性破缺以及拓撲量子物態(tài)方面具有重要意義。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心高鴻鈞院士帶領(lǐng)的聯(lián)合研究團隊對新型籠目材料的創(chuàng)制及其物性進行了探索研究。楊海濤研究員和博士生趙振經(jīng)過大量摸索，成功合成出全新的鈦基籠目超導(dǎo)體CsTi3Bi5(CTB)；中國科學(xué)院大學(xué)(國科大)周武教授等對樣品原子結(jié)構(gòu)進行了掃描透射電子顯微學(xué)分析；中國科學(xué)院物理所董曉莉研究員、博士生劉家利和張宇航等進行了宏觀物性測量；博士生耶郁晗和陳輝副研究員等利用極低溫-強磁場掃描隧道顯微鏡/譜研究了該體系的超導(dǎo)能隙與對稱性破缺電子態(tài)；美國波士頓學(xué)院Ziqiang Wang(汪自強)教授、國科大蘇剛教授和博士生易鑫偉等開展了相關(guān)理論研究。他們發(fā)現(xiàn)：1)在超導(dǎo)態(tài)下，CTB表面展現(xiàn)出兩種類型的能隙特征，約瑟夫森掃描隧道譜進一步證實能隙起源于其超導(dǎo)電性；2)兩種超導(dǎo)能隙均在面內(nèi)磁場下呈現(xiàn)出二重對稱而非晶格的六重對稱，體現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)具旋轉(zhuǎn)對稱性破缺的特性。3)在正常態(tài)，CTB的形貌呈現(xiàn)出與晶體結(jié)構(gòu)相匹配的六重對稱性，但其準粒子干涉圖樣呈現(xiàn)出二重旋轉(zhuǎn)對稱性，極軸的極大值方向與超導(dǎo)能隙極軸的極大值方向一致，揭示了CTB中內(nèi)稟的電子向列相。
該研究成果成功地創(chuàng)制了全新鈦基籠目超導(dǎo)體CsTi3Bi5材料，發(fā)現(xiàn)了其超導(dǎo)電性和旋轉(zhuǎn)對稱性破缺的電子向列相，表明該CTB籠目材料在超導(dǎo)、拓撲、電荷序等豐富的物性方面具有巨大的研究潛力，對超導(dǎo)配對機制、超導(dǎo)電性和旋轉(zhuǎn)對稱性破缺之間的關(guān)聯(lián)具有重要意義。
相關(guān)成果以“Superconductivity and nematic order in a new titanium-based kagome metal CsTi3Bi5 without charge density wave order” 為題發(fā)表于Nature Communications 15, 9626 (2024)。本工作受到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目和中國科學(xué)院的資助。
圖： CsTi3Bi5的晶體結(jié)構(gòu)示意圖、超導(dǎo)電性研究、超導(dǎo)和正常態(tài)時的旋轉(zhuǎn)對稱性破缺
