北理工團隊在籠目材料超導領域取得系列進展
發布日期：2024-08-30 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院王秩偉、姚裕貴教授團隊，與南方科技大學殷嘉鑫團隊、中科院理論物理所吳賢新團隊、中科院物理所石友國團隊等人合作，在籠目晶格超導材料AV3Sb5(A = K, Rb, Sb)中發現量子可調的磁性超導態，這種超導態具有手性超導能隙振蕩的特征，顯示籠目超導材料是探索磁性超導的重要材料體系，相關成果以“Chiral kagome superconductivity modulations with residual Fermi arcs”為題發表在Nature, 632 (2024) 775。
籠目（Kagome）晶格是由頂點互相連接的三角形組成的圖案，是一種具有幾何阻挫的晶格結構，其特殊的晶格結構往往帶來豐富的物理性質，比如電荷密度波、配對密度波、非常規超導電性、量子自旋液體等等。2020年以來，王秩偉、姚裕貴團隊一直深耕籠目晶格超導材料AV3Sb5系列材料，與國內外課題組深入合作并取得一系列進展，相繼在該體系中發現手性電荷序[Phys. Rev. B 104 (2021) 075148]，向列電子相 [Nat. Commun., 12 (2021) 6727] ，各向異性超導電性 [Nat. Commun., 15 (2024) 2888, Nat. Commun., 15 (2024) 5038]，無節點超導能隙 [Nature, 617 (2023) 488]，超導二極管效應 [Nature, 630 (2024) 64]，超導和電荷序的調控與競爭 [Nat. Commun., 15 (2024) 6467, Phys. Rev. Lett. 129 (2022) 206402, Phys. Rev. X 12 (2022) 011001, Phys. Rev. B 105 (2022) L180507]，范霍夫奇點對超導的影響 [Nat. Commun. 14 (2023) 3819 ]等等。
最近，該團隊與合作者在AV3Sb5籠目超導體系中發現磁性超導態并發現該超導態可以隨磁場調控。使用正常和約瑟夫森掃描隧道顯微鏡探測到KV3Sb5和CsV3Sb5中的手性超導能隙振蕩，振蕩周期為2×2，如圖1所示；通過施加外磁場，可以調控超導能隙振蕩的手性，表明了時間反演對稱性破缺的手性配對密度波；進一步用超導針尖實現了超導約瑟夫森結來探測配對密度，并觀測配對密度也具有2×2的手性振蕩，如圖2所示。
圖1 周期為2a的超導能隙振蕩和約瑟夫森零能峰振蕩
圖2 對超導能隙和配對密度的手性研究
早期理論研究表明，在具有配對密度波的體系中，超導能隙只在動量空間的部分費米面打開，體系中可以存在被稱為Bogoliubov費米面的殘留費米面，并與超導能隙振蕩形成實空間-動量空間對應關系。鑒于此，他們進一步研究了不同溫度下的準粒子散射，并觀測到較高溫度下信號主要來源于Sb-p軌道的散射；而隨著溫度的降低，這一信號逐漸被抑制，表明在p軌道上發生了空間均一的超導性。當進入超導態以后，觀測到V-d軌道態的殘留費米弧，作為潛在的Bogoliubov費米態，如圖3所示。Sb-p軌道的超導和V-d軌道的2×2手性電荷振蕩進行耦合，形成了一種特殊的p-d軌道交織的手性配對密度波；進一步的觀測和分析最終為有限動量配對的磁性超導態提供了完整的證據鏈，如圖4所示。
圖3 殘留Bogoliubov費米弧的證據。
圖4 對有限空間配對的超導體完整的證據鏈
在本工作中，王秩偉教授作為共同通訊作者提供了高質量的AV3Sb5單晶樣品，本工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委、北京凝聚態物理國家實驗室等相關項目的資助。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07798-y
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