北理工團(tuán)隊(duì)在Kagome超導(dǎo)研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-11-29 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：近日，北理工物理學(xué)院王秩偉特別研究員,、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)在Nb摻雜籠目結(jié)構(gòu) (Kagome structure) 超導(dǎo)體CsV3Sb5中取得系列進(jìn)展,。準(zhǔn)二維材料AV3Sb5（A="K,，Rb，Cs）被發(fā)現(xiàn)是Kagome超導(dǎo)體的典型范例,，是研究電子相關(guān)效應(yīng),、拓?fù)湫院蛶缀未煺壑g相互作用的一個(gè)新型量子平臺(tái)。多種研究手段顯示AV3Sb5的超導(dǎo)電性表現(xiàn)出與電荷密度波（CDW）共存的特征,，然而超導(dǎo)性和電荷密度波的產(chǎn)生機(jī)制仍然存在爭議,。
為了探索Kagome超導(dǎo)體CsV3Sb5超導(dǎo)性和電荷密度波的產(chǎn)生機(jī)制以及其內(nèi)在聯(lián)系，博士生李永愷（現(xiàn)為北理工物理學(xué)院博士后）在王秩偉研究員的指導(dǎo)下成功地合成了Nb摻雜Cs(V1-xNbx)3Sb5單晶樣品,，發(fā)現(xiàn)這個(gè)體系的Nb摻雜極限為7%,，通過XRD結(jié)構(gòu)精修證實(shí)Nb替代V位，從而對(duì)該體系的VSb二維Kagome格子層進(jìn)行有效調(diào)控,。進(jìn)一步系統(tǒng)研究了體系的電荷密度波和超導(dǎo)電性隨Nb摻雜量的變化,。通過電輸運(yùn)測量發(fā)現(xiàn)Nb摻雜可以逐漸抑制電荷密度波同時(shí)增強(qiáng)了超導(dǎo)電性，最高超導(dǎo)溫度為4.45K,，這表明電荷密度波和超導(dǎo)之間存在競爭關(guān)系,，如圖1所示。同時(shí),，隨著Nb摻雜量的提高,，反常霍爾效應(yīng)與電荷密度波一起顯著減弱,，這為反?；魻栃?yīng)與電荷密度波之間可能存在的密切關(guān)系提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，如圖2所示,。
圖1. 不同Nb摻雜濃度的Cs(V1-xNbx)3Sb5中的電荷密度波和超導(dǎo)特性
圖2. Cs(V1-xNbx)3Sb5中反?；魻栃?yīng)隨Nb摻雜濃度增加而變?nèi)?/span>
為了解釋電荷密度波和超導(dǎo)之間的這種競爭關(guān)系，我們進(jìn)行了第一性原理計(jì)算,，如圖3所示：第一性原理計(jì)算結(jié)果表明Nb的摻雜使得M處的范霍夫奇點(diǎn)發(fā)生了變化,，Nb摻雜使范霍夫奇點(diǎn)從低于費(fèi)米能量移動(dòng)到高于費(fèi)米能量，使其被填充的能量態(tài)密度被耗盡,，因而減弱了電荷密度波,；同時(shí),，Nb的摻雜使得?處的電子口袋擴(kuò)大，這為超導(dǎo)配對(duì)提供了更多的電子態(tài)密度,，因而提高了超導(dǎo)性,，我們結(jié)果揭示了Cs(V1-xNbx)3Sb5體系中電荷密度波和超導(dǎo)之間不同尋常的競爭。相關(guān)工作得到了南京大學(xué)聞?；⒔淌谡n題組的合作,，成果以Letter的形式發(fā)表在Physical Review B上 [PRB 105, L180507 (2022)]。
圖3. Cs(V1-xNbx)3Sb5（x="0與x=0.07）的電子能帶結(jié)構(gòu)理論計(jì)算
為了進(jìn)一步驗(yàn)證我們的理論計(jì)算并研究Nb摻雜對(duì)CsV3Sb5體系的電子能帶結(jié)構(gòu)的影響,，研究團(tuán)隊(duì)與日本東北大學(xué)的T. Sato課題組合作,，通過角分辨光電子能譜(ARPES)對(duì)Cs(V1-xNbx)3Sb5電子能帶結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)研究。ARPES結(jié)果顯示,，隨著Nb元素的摻入,，如圖4所示，Γ點(diǎn)處的Sb原子衍生的電子口袋（α帶）向下移動(dòng),，而M點(diǎn)處V原子衍生的范霍夫奇點(diǎn)（δ帶）向上移動(dòng),。此外，隨著Nb的摻雜,，δ帶向上移動(dòng),，導(dǎo)致范霍夫奇點(diǎn)遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，從而導(dǎo)致電荷密度波轉(zhuǎn)變溫度TCDW變低且CDW強(qiáng)度越來越弱,，如圖4,、5所示。該結(jié)論表明電荷密度波的產(chǎn)生與范霍夫奇點(diǎn)緊密關(guān)聯(lián),。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn),，Nb摻雜導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc升高的內(nèi)在物理本質(zhì)是：Nb摻雜導(dǎo)致Sb衍生的α帶的電子口袋擴(kuò)大和費(fèi)米面處V衍生的電子態(tài)密度恢復(fù)共同作用導(dǎo)致超導(dǎo)電性增強(qiáng)。相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review Letters上 [PRL, 129, 206402 (2022)],。
圖4. 在120K時(shí)Cs(V1-xNbx)3Sb5（x="0與x=0.07）的電子能帶結(jié)構(gòu)
圖5. Cs(V1-xNbx)3Sb5電子能帶結(jié)構(gòu)隨溫度和Nb摻雜濃度的演化
總而言之,，我們通過Nb摻雜調(diào)控了Kagome格子超導(dǎo)體CsV3Sb5的能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其超導(dǎo)電性和電荷密度波相變條件,，為揭示CsV3Sb5中超導(dǎo)電性和電荷密度波的起因提供了重要實(shí)驗(yàn)證據(jù),。
上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金,、北京市自然科學(xué)基金,、北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃等相關(guān)項(xiàng)目的支持。
相關(guān)文章鏈接如下：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.206402
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.L180507
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