電荷密度波（CDW）和超導電性（SC）是凝聚態體系中兩種典型的與強電-聲耦合和費米麵不穩定性密切相關的集體電子行為。CDW往往出現在低維結構的材料體系中，而SC是一種三維的宏觀量子現象。實驗研究表明，在許多低維CDW材料中透過摻雜、加壓等調控手段破壞CDW可以誘匯出SC。因此，對CDW材料進行物態調控並揭示CDW與SC之間的密切聯絡是凝聚態物理的重要研究內容之一。
在已知的CDW材料中，具有強烈準一維結構特徵的ZrTe（圖1）呈現出非常特殊的物理性質：隨溫度降低，ZrTe首先在≈63K形成主要沿著軸（即-Te2-Te3-一維鏈）的CDW，然後在更低溫度出現各向異性超導態，即軸電阻從約4K開始下降，直到約2K達到零電阻，表現出較寬的超導轉變，而軸電阻在約2K出現陡峭的超導轉變。目前的研究認為，ZrTe中的各向異性的超導轉變是由於在軸方向發生了從局域配對（local pair，2K < T < 4K）到庫珀對(T < 2K)的渡越。儘管常壓下各向異性SC與CDW共存，但對ZrTe施加壓力，二者又表現出明顯的競爭關係，即隨壓力增加，先升高後降低直至消失，同時各向異性SC先被完全抑制，然後又出現“再入超導”現象。ZrTe中各向異性SC的起源以及SC與CDW的共存與競爭機制仍不清楚。2017年，中國科學院物理研究所SC10組張帥副研究員、陳根富研究員等成功製備出與ZrTe具有相似晶體結構的高質量HfTe單晶[Phys. Rev. B 96, 174510 (2017)]，為解決上述問題提供了契機。常壓下，HfTe單晶在較高≈93K發生CDW轉變，但降至50mK都沒有觀察到超導跡象，即CDW與SC不共存，這與ZrTe明顯不同，從而為高壓下揭示這類材料中CDW與SC的關係提供了絕佳平臺。
圖1 ZrTe（HfTe）的晶體結構示意圖
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室/懷柔研究部EX6組的聯培博士生劉子儀在程金光研究員的指導下，與張帥副研究員和陳根富研究員、A06組李俊副研究員和楊槐馨研究員，聯合哈爾濱工業大學隋鬱教授、中國人民大學劉凱教授以及日本東京大學的Y. Uwatoko教授等合作者，採用活塞-圓筒以及六面砧大腔體高壓低溫物性測量裝置，在12GPa靜水壓、1.5K最低溫和8T磁場的綜合極端環境下，對高質量HfTe單晶開展了細緻的各向異性電輸運高壓測量。研究發現，對HfTe單晶施加約5GPa的高壓可以完全抑制其CDW，同時軸電阻在約4-5K開始出現SC，然而和軸電阻降至1.5K都沒有出現明顯的超導跡象，這不僅揭示了CDW與SC的競爭關係，而且證實了超導態具有強烈的準一維各向異性。
他們利用低溫透射電鏡技術（圖2），從實驗上首次確定了HfTe單晶在以下CDW的波矢 = 0.91(1)*+0.27(1)*。然後，詳細測量了HfTe單晶沿著三個不同晶軸方向的電輸運性質隨壓力的變化。壓力下的軸電阻結果表明（圖3），隨壓力增加，CDW首先向高溫移動，在約1.5GPa時CDW達到最高值，然後又逐漸向低溫移動，在c≈5GPa時CDW被完全抑制，之後電阻在4-5K的低溫出現明顯降低，且電阻下降的幅度隨壓力升高而逐漸增加，10GPa時在約2K可以實現零電阻，而且增大電流或施加磁場還能部分抑制掉電阻下降，這表明當CDW被抑制掉後很可能發生了超導轉變。上述結果在兩個樣品（#2和#3）中得到了很好的重複。然而，高壓下的交流磁化率測試卻不能觀察到明顯的超導抗磁訊號，這意味著高壓下的超導並不是體超導！他們又在高壓下測試了其他兩個方向的電阻（圖4），結果表明，在軸電阻已達到零電阻的壓力，軸電阻在降至1.5K都沒有顯著的電阻下降（#4樣品）或者由於電極傾斜的測量原因而導致稍微下降（#5樣品），而且軸電阻不僅沒有降低反而在低溫出現上翹。這些實驗結果排除了a軸出現的超導轉變來源於雜質的影響，而且表明HfTe單晶在高壓下出現的超導態具有強烈的準一維特性。對於#3樣品，9、11、12.5GPa時超導轉變附近的溢位電導率與約化溫度的關係，可以用一維Aslamazov-Larkin模型很好擬合（圖5），這進一步印證了該超導態的準一維特徵。基於上述測試結果，他們建立了HfTe單晶的溫度-壓力相圖（圖6），顯示出CDW與準一維SC的完全競爭關係。
圖2. 基於低溫透射電鏡技術表徵HfTe單晶中的電荷密度波
圖3. 不同壓力下HfTe單晶沿a軸的電阻（#2和#3樣品）
圖4. 不同壓力下HfTe單晶沿軸（#4和#5樣品）和軸（#6樣品）的電阻
圖5. #3樣品在9、11、12.5GPa下的溢位電導率與約化溫度的關係
圖6. HfTe單晶的溫度-壓力相圖
為了深入理解上述實驗結果，他們又結合原位高壓XRD資料和第一性原理計算，對比分析了壓力對HfTe和ZrTe的電子結構和費米麵的影響（圖7）。結果表明，二者的電子結構相似，即布里淵區（BZ）中心有一個三維費米麵（3D-FSs），BZ邊界處有準一維費米麵（Q1D-FSs）。隨著壓力增加，BZ中心附近的3D-FSs膨脹，與Q1D-FSs的重疊增強，膨脹的3D-FSs使費米能附近的Q1D-FSs佔比減少，導致Q1D-FSs沿*方向巢狀強度減弱，最終抑制CDW，同時強的電-聲耦合和費米麵失穩也容易造成超導態。由於HfTe中窄帶電子主要來源於-Te2-Te3-鏈的Te-5px軌道，局域配對更容易沿軸方向形成，因此電阻下降更容易沿軸方向發生，呈現準一維超導特性。相比HfTe，常壓下ZrTe的3D-FSs較大，在5GPa壓力下沿*方向甚至形成開放的口袋。這意味著，ZrTe中Q1D-FSs巢狀導致的CDW弱於HfTe，與實驗中觀察到的HfTe的≈93K高於ZrTe的≈63K吻合。因此，HfTe中的各向異性超導態可以維持在一個更寬的溫度和壓力範圍，這也使其成為研究準一維超導和局域配對的理想材料平臺。
圖7. 壓力對HfTe和ZrTe費米麵的影響
相關工作近期發表在npj Quantum Materials，得到了北京市自然科學基金、國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃、中科院B類先導專項的資助。
編輯：Garrett
