层状超导体CsV3Sb5 的物性调控取得进展
具有钒 Kagome 格子的层状化合物 AV3Sb5 (A = K、Rb 和 Cs)包含着丰富的物理现象，如拓扑非平庸的电子结构、超导和电荷密度波(CDW)转变等，引起了研究人员的广泛关注。常压下，AV3Sb5在78-103 K发生CDW转变(q1=2a0×2a0和q2=4a0)，引起了时间反演对称性破缺，这可能是其中巨大反常霍尔效应的起因之一；体相样品的超导临界温度(Tc)为0.93-2.5 K。通过高压原位研究，研究人员发现CsV3Sb5在低压区(0-2 GPa)，CDW被逐渐抑制，Tc出现非单调变化的“M” 型相图，并逐渐消失[Nature Commun. 12, 3645 (2021)； Phys. Rev. Lett. 126, 247001 (2021)]。但当压力升高到15 GPa时，CsV3Sb5发生超导再进入现象，并且超导可稳定至100 GPa [Highly Robust Reentrant Superconductivity in CsV3Sb5 under Pressure, Chin. Phys. Lett. Express Letter 38, 057402 (2021)]。
从能带结构上来看，CsV3Sb5 的费米能级位于两个范霍夫奇点(VHS)附近，通过电荷掺杂可以调控费米能级的位置和态密度的大小，有效提高CsV3Sb5 的Tc。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室A02组的博士后宋艳鹏、应天平特聘研究员、郭建刚研究员和陈小龙研究员，与德国马克斯-普朗克固体研究所的吴贤新博士和Andreas P. Schnyder教授等人合作，首次在CsV3Sb5中实现了空穴型的载流子掺杂和Tc的有效调控。由于CsV3Sb5的层间作用力较弱，项目组利用机械剥离的方式获得了不同厚度的CsV3Sb5样品(12-370 nm)，通过控制Cs原子的氧化程度，实现了不同浓度的空穴掺杂，获得了Tc随掺杂量变化的dome状超导相图。其中，最高Tc为5 K，CDW与超导表现为相互竞争的关系，见图1。同时，项目组对CsV3Sb5的薄层样品进行了原位栅压调控，发现其Tc随正向栅压的升高而降低，证明样品确实属于空穴型掺杂，这也是首次在CsV3Sb5上进行的原位栅压调控实验。密度泛函理论计算表明了费米面附近的两个范霍夫奇点中的一个(VHS1)和态密度对空穴掺杂变化极其敏感，定性地了解释Tc的变化，见图2。本工作为研究和理解AV3Sb5中超导、CDW和拓扑三者之间的相互关系提供了新的调控途径，相关成果以“Competition of Superconductivity and Charge Density Wave in Selective Oxidized CsV3Sb5 Thin Flakes”为题发表于Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 127, 237001 (2021)]。
以上工作得到了中国科学院、国家重点研发计划、国家自然科学基金委和北京市自然科学基金等的支持。
图1. CsV3Sb5薄层样品的低温输运特性
图2. 空穴掺杂 CsV3Sb5 的能带结构、态密度 (DOS) 和相图
