北理工團(tuán)隊在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

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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相互作用的一個新型量子平臺。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(V_1-xNb_x)₃Sb₅單晶樣品，發(fā)現(xiàn)這個體系的Nb摻雜極限為7%，通過XRD結(jié)構(gòu)精修證實Nb替代V位，從而對該體系的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。通過電輸運測量發(fā)現(xiàn)Nb摻雜可以逐漸抑制電荷密度波同時增強(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，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，這為反常霍爾效應(yīng)與電荷密度波之間可能存在的密切關(guān)系提供了實驗證據(jù)，如圖2所示。

圖1. 不同Nb摻雜濃度的Cs(V_1-xNb_x)₃Sb₅中的電荷密度波和超導(dǎo)特性

圖2. Cs(V_1-xNb_x)₃Sb₅中反常霍爾效應(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)行了第一性原理計算，如圖3所示：第一性原理計算結(jié)果表明Nb的摻雜使得M處的范霍夫奇點發(fā)生了變化，Nb摻雜使范霍夫奇點從低于費米能量移動到高于費米能量，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，Nb的摻雜使得?處的電子口袋擴(kuò)大，這為超導(dǎo)配對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(V_1-xNb_x)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)聞海虎教授課題組的合作，成果以Letter的形式發(fā)表在Physical Review B上 [PRB 105, L180507 (2022)]。

圖3. Cs(V_1-xNb_x)₃Sb₅（x="0與x=0.07）的電子能帶結(jié)構(gòu)理論計算

為了進(jìn)一步驗證我們的理論計算并研究Nb摻雜對CsV₃Sb₅體系的電子能帶結(jié)構(gòu)的影響，研究團(tuán)隊與日本東北大學(xué)的T. Sato課題組合作，通過角分辨光電子能譜(ARPES)對Cs(V_1-xNb_x)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點處的Sb原子衍生的電子口袋（α帶）向下移動，而M點處V原子衍生的范霍夫奇點（δ帶）向上移動。此外，隨著Nb的摻雜，δ帶向上移動，導(dǎo)致范霍夫奇點遠(yuǎn)離費米能級，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)生與范霍夫奇點緊密關(guān)聯(lián)。同時我們還發(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Cs(V_1-xNb_x)₃Sb₅（x="0與x=0.07）的電子能帶結(jié)構(gòu)

圖5. Cs(V_1-xNb_x)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驗證據(jù)。

上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、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)啟動計劃等相關(guān)項目的支持。

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.L180507

北理工團(tuán)隊在Kagome超導(dǎo)研究中取得重要進(jìn)展

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