北理工团队在笼目结构超导材料方面取得重要进展


近日,bat365官网登录入口物理学院王秩伟研究员、姚裕贵教授团队,与中国科学技术大学何俊峰教授、乔振华教授,以及中科院物理研究所高鸿钧院士等人合作在《自然通讯》(Nature Communications)发表了对笼目结构超导材料CsV3-xTaxSb5中范霍夫奇点(von Hove Singularity, VHS)的研究。

在关联材料体系中,VHS为理解电子态密度发散提供了一个范例。在VHS处,电子库仑力占主导,这反过来又会导致系统中多重不平衡态的出现,包括电荷密度波(CDW)、自旋密度波(SDW)、d波超导体等。在该类超导体中,一个理想的范霍夫情景主要通过两种途径来实现。一种是增加态密度,通过常规或非常规的电子-玻色子配对来完成库珀配对;另一种是由VHS处共存的电子和空穴之间的库仑力驱动形成非常规的电子配对。这对VHS的能级位置要求严格,使其在真实材料中的实现具有挑战性。最近,AV3Sb5 笼目结构超导材料系列得到了广泛关注。其电子结构中存在着多个VHS,同时该材料中存在二维VHS的两种主要的不平衡态——CDW和超导,这为我们探索范霍夫情景提供了良好的研究平台。虽然理论预测得到了良好的结果,但是依然缺少实验证据来表明VHS的作用。

在该工作中,通过对比研究了母相CsV3Sb5和Ta掺杂CsV3-xTaxSb5(x~0.4)。我们发现CsV2.6Ta0.4Sb5材料的CDW被完全抑制,超导转变温度(Tc)达到最高,约为5.5K,是CsV3Sb5系列材料中观察到的常压条件下的最高超导转变温度。主要结论有:(1) 对掺杂Ta的材料进行角分辨光电子能谱仪的测试,表明笼目晶格中V 原子d轨道在费米能级的M点处形成了完美的VHS,实现了类电子带与类空穴带的共存。这一结果通过第一性原理计算得到定量地再现;(2)进一步证明了,CDW等竞争序的抑制不足以解释Tc的提高,而且Tc(超导能隙)与VHS在没有竞争序样品中的能级位置有关。同时,随Ta原子的替换,其他低能态及相关的电子-玻色子耦合的变化可以忽略不计。因此,该工作的结果直接建立了显著增强的超导性和在费米能级上的VHS之间的联系;(3)光谱成像的扫描隧道显微镜(STM)测量进一步揭示了CsV3-xTaxSb5(x~0.4)的超导态不同于母体CsV3Sb5。这些结果证明了范霍夫情景在笼目超导体中是可以存在的。

物理学院博士生刘锦锦为文章的共同第一作者,王秩伟研究员为共同通讯作者。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、bat365官网登录入口青年教师学术启动计划等相关项目的支持。

图1. 25K下CsV­3Sb5和CsV2.6Ta0.4Sb5的能带结构图

图2 对比母体CsV3Sb5,CsV2.6Ta0.4Sb5独特的超导态

相关文章链接如下:https://www.nature.com/articles/s41467-023-39500-7


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