研究背景
籠目晶格是一種具有特征性的幾何結(jié)構(gòu)，其二維晶格中的原子排列形成了類(lèi)似于蜂窩的圖案。近年來(lái)，這種獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)因其可能展現(xiàn)的特殊電子行為和磁學(xué)性質(zhì)，成為了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。例如，釩基籠目晶格材料AV3Sb5（A=K, Rb, Cs）展示了超導(dǎo)性和電荷密度波有序性等多種新奇物態(tài)。然而，這些材料是非磁性的且電子關(guān)聯(lián)較弱，因此不太可能實(shí)現(xiàn)理論上預(yù)言的非常規(guī)超導(dǎo)性。為了探索新型籠目晶格材料的潛力，浙江大學(xué)物理學(xué)院曹光旱研究組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理研究所程金光、周睿等研究組攜手在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”的最新論文。科學(xué)家們提出了鉻基籠目金屬CsCr3Sb5，并對(duì)其進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，該材料在常壓下經(jīng)歷了55 K的結(jié)構(gòu)和磁性相變，并且在高壓下表現(xiàn)出與電荷密度波和反鐵磁自旋密度波有序性相關(guān)的相變。在3.65–8.0 GPa的壓力范圍內(nèi)，CsCr3Sb5展現(xiàn)出了超導(dǎo)性，其中超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在4.2 GPa時(shí)達(dá)到最大值6.4 K，并且正常態(tài)顯示出非費(fèi)米液體行為。這些發(fā)現(xiàn)為探索高度關(guān)聯(lián)籠目系統(tǒng)中的超導(dǎo)性提供了新平臺(tái)，可能有助于揭示非常規(guī)超導(dǎo)性的機(jī)理。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次：在鉻基籠目晶格材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)成功合成了鉻基籠目金屬CsCr3Sb5，并探究了其在不同壓力下的超導(dǎo)特性。2. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：
- 材料合成和表征：使用自熔法合成了CsCr3Sb5單晶，并通過(guò)單晶X射線(xiàn)衍射（XRD）和能量色散X射線(xiàn)光譜（EDX）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的表征。結(jié)果表明，CsCr3Sb5具有典型的籠目晶格結(jié)構(gòu)，并且在常壓下具有強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)和磁性挫敗。
- 相變和超導(dǎo)性：在55 K時(shí)，CsCr3Sb5經(jīng)歷了一個(gè)結(jié)構(gòu)和磁性相變，表現(xiàn)為條紋狀的4a0結(jié)構(gòu)調(diào)制。在高壓下，密度波狀有序性逐漸被抑制，并出現(xiàn)了兩個(gè)相變，可能與電荷密度波和反鐵磁自旋密度波有序性相關(guān)。在3.65–8.0 GPa的壓力范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超導(dǎo)圓頂，其中超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的最高值為6.4 K，出現(xiàn)在4.2 GPa的壓力點(diǎn)，此時(shí)密度波狀有序性被完全抑制。
- 非費(fèi)米液體行為：在超導(dǎo)性出現(xiàn)的高壓下，CsCr3Sb5的正常態(tài)顯示出非費(fèi)米液體行為，與鐵基超導(dǎo)體中的非常規(guī)超導(dǎo)性和量子臨界現(xiàn)象相似。該研究為在關(guān)聯(lián)籠目系統(tǒng)中探討超導(dǎo)性提供了獨(dú)特的平臺(tái)。
圖文解讀
圖1： CsCr3Sb5的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。圖2. CsCr3Sb5中的結(jié)構(gòu)調(diào)制。 圖3. CsCr3Sb5中密度波序產(chǎn)生的超導(dǎo)性。圖4. 通過(guò)DFT計(jì)算CsCr3Sb5的電子結(jié)構(gòu)。
總結(jié)展望
本文的研究揭示了在具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的籠目晶格系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的新途徑。長(zhǎng)期以來(lái)，理論上預(yù)測(cè)超導(dǎo)性可以在高度關(guān)聯(lián)的籠目系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，但實(shí)驗(yàn)上一直難以驗(yàn)證。研究表明，鉻基籠目金屬CsCr3Sb5展現(xiàn)了顯著的電子關(guān)聯(lián)性和磁性挫敗，并且其接近費(fèi)米能級(jí)的平帶特性為超導(dǎo)性提供了有利條件。在常壓下，CsCr3Sb5經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)和磁性的相變，表現(xiàn)為條紋狀的4a0結(jié)構(gòu)調(diào)制。通過(guò)施加壓力，這種材料的密度波狀有序性被逐漸抑制，最終在3.65–8.0 GPa的壓力區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了超導(dǎo)電性，并且在4.2 GPa時(shí)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到最高值6.4 K。這一發(fā)現(xiàn)不僅為實(shí)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)性提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也為研究量子臨界現(xiàn)象和非費(fèi)米液體行為提供了新的視角。Liu, Y., Liu, ZY., Bao, JK. et al. Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal. Nature 632, 1032–1037 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07761-x
