从编织篮到新型准二维钒基Kagome金属的前沿研究

编织篮看似窸窣平常，平平无奇，但其编织图案背后却深藏着丰富的数学和物理的奥秘，六芒星型的编织图案正是カゴメ格子（kagome lattice），即所谓笼目晶格的原型。1951年时任大阪大学教授的伏见康治与一同研究的庄司一郎在Physics Today上次提出了kagome lattice这一概念，用于指代由正六边形和正三角形组成的一种平面密铺结构。此后kagome格子作为一种晶格结构被应用到物理学中，并因其强阻挫晶格特性吸引了科研工作者的持续研究。

图1：编织篮与kagome lattice

近期，一个新型准二维钒基kagome金属AV₃Sb₅ (A = K, Rb, Cs) 体系引起了国内多个课题组的共同关注，该体系是研究几何阻挫、非平庸拓扑能带以及多种电子序耦合与竞争的重要平台。CsV₃Sb₅在低温下2.5 K左右发生超导转变，同时在95 K发生类CDW的相变。STM表征发现手性电荷序的出现打破了时间反演对称性，可能在CDW相变温度以下诱导出巨大的反常霍尔效应。此外，ARPES以及性原理计算表明该体系在Fermi面附近存在着Z2拓扑不变量的非平庸能带结构。CsV₃Sb₅中的类CDW相变和超导电性开展了大量的理论和实验研究，取得了一系列重要成果，对揭示该体系中奇特物性的关联作用具有重要价值。

图2：CsV₃Sb₅晶体结构示意图

今年4月20日，中国科学院物理研究所的陈小龙研究员和郭建刚研究员与曲阜师范大学的刘晓兵教授和陈欣教授合作，通过高压手段对CsV₃Sb₅的超导物性和结构演化进行了系统研究，相关成果以“Highly Robust Reentrant Superconductivity in CsV₃Sb₅ under Pressure”为题发表在《中国物理快报》上（Chin. Phys. Lett. 38, 057402 (2021)）。研究发现当压力小于10 GPa时，超导临界温度(Tc)先增加至大值7.6K，然后迅速减小并消失，形成了穹顶状的超导I区。当压力升高到15 GPa时超导再次出现，并且在压力为53.6 GPa时Tc升高至5.2K，之后随着压力升高至100 GPa时，Tc缓慢降低至4.7K，形成了穹顶状的超导II区。压力下的原位拉曼测试表明超导再进入现象与高频E_2g振动模式的减弱以及低频E_1g振动模式的增强有关。结构预测表明，当压力为100 GPa时CsV₃Sb₅没有发生结构相变，化合物依然存在着十分稳定的超导相。

图3：CsV₃Sb₅超导临界温度随着压力变化相图以及压力下的原位拉曼测试，原位高压测量在PPMS系统中进行，使用了DAC高压包

中国科技大学陈仙辉/应剑俊团队也在CsV₃Sb₅超导体研究中取得重要进展，相关研究成果于6月10日以“Unusual competition of superconductivity and charge-density-wave state in a compressed topological kagome metal”为题在线发表在《自然·通讯》上（Nat. Commun. 12, 3645 (2021)），并被推荐为亮点文章（Featured Article）。该文侧重研究了CsV₃Sb₅材料中非寻常的电荷密度波（CDW）与超导的竞争关系，他们利用多种加压手段，对CsV₃Sb₅材料在高压下行为进行了系统研究，通过高压电输运测量和磁化率测量发现Tc随压力增加表现为双穹顶状的行为，而非传统的单穹顶行为。当压力在0.7-2 GPa之间样品表现出了反常的Tc压制，同时超导明显展宽。当压力达到2 GPa后，CDW被完全压制，Tc高可以达到8 K（是常压下的3倍），这也是目前具有kagome格子的材料所报道的高Tc。该反常的双穹顶状超导相图可能是由公度的CDW态转变为近公度CDW态导致的。该研究结果表明CsV₃Sb₅这种笼目结构超导材料中的超导态和CDW态对压力非常敏感，同时也揭示了CsV₃Sb₅中不寻常的超导与CDW竞争，为研究其中非传统的CDW机制提供了实验线索。

图4：CsV₃Sb₅单晶的压力-温度相图，电输运测量在PPMS系统开展，部分高压磁化率测量在MPMS系统开展，使用了PCC高压包

几乎与此同时6月17日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心端条件物理重点实验室EX6组的博士生陈科宇、王宁宁、孙建平副研究员和程金光研究员，与凝聚态理论与材料计算重点实验室T06组的蒋坤特聘研究员、胡江平研究员，联合中国人民大学的雷和畅教授以及日本东京大学的Yoshiya Uwatoko教授，采用活塞-圆筒压腔和六面砧大腔体高压低温物性测量装置，在6.6 GPa静水压、1.5 K低温和8 T磁场的综合端环境下，对高质量的CsV₃Sb₅单晶开展了仔细的高压磁电输运以及磁性测量，并建立CsV₃Sb₅单晶的温度-压力相图。该篇工作以“Double Superconducting Dome and Triple Enhancement of Tc in the Kagome Superconductor CsV₃Sb₅ under High Pressure”发表PRX（Phys. Rev. Lett.126(2021)）。他们发现CsV₃Sb₅单晶的CDW转变逐渐被高压抑制，并且其超导相出现了非单调变化的双拱形相图，这与在中间压力区间CDW的特征变化是紧密相联系的。在CDW消失的临界压力2 GPa附近其超导Tc升高至~8 K，是常压Tc的近3倍。这些结果对理解AV₃Sb₅体系电子序之间的竞争和相互作用具有重要意义。

图5：CsV₃Sb₅单晶的温度-压力相图，部分高压磁化率测量在MPMS系统开展，使用了PCC高压包

除了压力调控之外，中国科学院物理研究所SC4组的董晓莉研究员、俞理副研究员与SC2组的袁洁主任工程师、N04组的杨海涛副研究员等人就CsV₃Sb₅材料常压下的各向异性超导特性开展了细致研究。合作者还有赵忠贤院士、高鸿钧院士及胡江平研究员。该工作于今年4月21日以“Anisotropic Superconducting Properties of Kagome Metal CsV₃Sb₅”为题发表在《中国物理快报》上（Chin. Phys. Lett. 38, 057403 (2021)）。研究发现在0.5 T磁场下的混合态面内转角磁阻呈现出二重对称性。更为有趣的是，随着温度改变，在2.8 K附近，大磁阻方向旋转了60°，这些奇异现象与该kagome体系复杂的电子和晶格环境密不可分。

图6：CsV₃Sb₅高品质单晶的各向异性磁阻，低温磁性（0.4K）测量在MPMS-3系统中开展，应用了iHe3插杆，电学测量在PPMS系统中开展

此外，复旦大学李世燕教授、上海科技大学郭艳峰研究员和人民大学雷和畅教授等团队探究了CsV₃Sb₅的超导配对机理（发表在预印本：arXiv:2102.08356），认为其超导结构为节点超导体。该文通过超低温热导率测量发现，零磁场下热导率具有有限剩余线性项，而且该线性项具有显著场依赖性，这为CsV₃Sb₅超导能隙结构中存在节点提供了有力证据。大范围的压力电阻测量表明两个超导穹顶的存在。这些结果都表明CsV₃Sb₅具有非常规的超导性。

图7：CsV₃Sb₅材料低温热导和大范围温度-压力相图，直流磁性测量在MPMS系统中开展，部分高压电阻测量在PPMS系统中开展，使用了DAC高压包

至此我们不难看出几何、关联和拓扑之间的相互依赖关系是解决凝聚态物理领域很多棘手问题的关键。推动这一前沿领域的进展直接有助于增进我们对量子物质机理理解和量子材料的应用，推动量子信息科学和能源相关技术研究。而CsV₃Sb₅因其不同寻常的晶格几何结构，蕴含了包括几何阻挫、强关联以及拓扑电子态等丰富的物理特性，成为研究几何、关联和拓扑之间的相互依赖关系的理想平台，为新奇电子序和电子序之间的关联研究提供一片沃土。

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图8：全新一代综合物性测量系统PPMS DynaCool

* 以上内容均源于论文的客观表述

相关新闻参考如下：

[1]. Chinese Physics Letters 5月7日 研究快讯 |CsV₃Sb₅中高度稳定的超导再进入现象；

[2]. 科技战略前沿研究中心 6月22日 中科大超导研究团队在笼目结构超导体的高压研究中取得重要进展；

[3]. 中科院物理所 6月23日进展 |Kagome超导体CsV₃Sb₅的高压研究进展；

[4]. Chinese Physics Letters 5月13日研究快讯 |Kagome化合物CsV₃Sb₅单晶超导态的各向异性。