過渡金屬kagome晶格材料，具有受挫、相關和拓撲量子態的物質。近年來，人們發現了一類具有拓撲能帶結構的釩基kagome金屬AV3Sb5 (A =K,Rb, Cs)。這些層狀化合物是非磁性的，在低溫下形成超導性之前會經歷電荷密度波的轉變。
在此，來自美國波斯頓學院的汪自強&中國科學院物理研究所的高鴻鈞等研究者報道使用掃描隧道顯微鏡/光譜(STM/STS)和Josephson STS在CsV3Sb5中觀察到非常規超導和對密度波(PDW)。相關論文以題為“Roton pair density wave in a strong-coupling kagome superconductor”發表在Nature上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03983-5
高質量生長的CsV3Sb5晶體，表現出六方對稱的Cs-Sb2-VSb1-Sb2-Cs層堆疊結構(空間群P 6/mmm)(圖1a)。Cs層和Sb2層，分別形成六邊形和蜂窩狀晶格(圖1b)。樣品的特徵和體電子效能測定的溫度依賴磁化，電阻率，和熱容量。所有測量結果表明，在T~94 K存在與電荷密度波(CDW)躍遷相關的異常。在低溫下，磁化率、電阻率和熱容測量顯示在臨界超導溫度(Tc)~2.8 K時過渡到超導(SC)狀態。比文獻(2.5 K)略高的Tc與生長的CsV3Sb5樣品的高質量是一致的，這為更深入地理解超導性質和透過原子分辨STM/S共存電子有序提供了機會。
在4.2 K的STM測量中，研究者觀察到兩種型別的表面(圖1c-d)。基於原子分辨的STM影象結合晶體結構，研究者識別出兩個被切割的端部為√3×√3R30°重建的Cs面和1×1Sb面。在這項工作中，密度波的STM/S成像是在Sb表面的大面積和潔淨區域進行的(圖1e)。
在這裡，研究者報道了使用掃描隧道顯微鏡/光譜(STM/STS)和Josephson STS，在CsV3Sb5中的非常規超導和對密度波(PDW)的觀察。研究發現，CsV3Sb5具有V型對隙Δ~0.5 meV，是強耦合超導體(2∆/kBTc~5)，並與4a0單向和2a0×2a0電荷序共存。值得注意的是，研究者發現一個3Q PDW伴隨著超導間隙、相干峰和隧穿電導間隙深度的雙向4a0/3空間調製。研究者將這種新的量子態稱為與底層渦-反渦晶格相關聯的roton-PDW，它可以解釋觀測到的電導調製。研究了外加磁場、抑制超導的強磁場和Tc以上的零場中渦旋暈中的電子態，發現PDW是產生贗能隙和交織電子有序的主要狀態。該發現與高Tc銅酸超導體的現象學有顯著的相似和區別，併為理解釩基kagome金屬中相關電子態和超導性的微觀起源奠定了基礎。
圖1 CsV3Sb5的原子結構和表面鑑定。
圖2 利用超導STM尖端在Cs和Sb表面觀察到的V形配對間隙和約瑟夫森效應。
圖3 在300 mK處的STM地形、dI/dV圖和線切割揭示了Sb表面上的CDW、PDW和超導性的空間調製。
圖4 CsV3Sb5在300 mK磁場和4.2 K零場下的PDW和贗隙。
在模型計算中，kagome晶格上的局域和擴充套件電子關聯會產生非常規的超導性。然而，研究者強調，物理學家們發現，CsV3Sb5不僅僅是另一種非傳統超導體。它體現了一套高度激發的量子電子態和激發態，這些激發態和激發態具有驚人的相似和區別，可能是解決銅酸鹽高Tc超導體中一些突出問題的共同關鍵，包括近晶電子液晶態、PDW之間的相互作用、CDW和交織的電子有序，以及它們對贗隙現象和非常規超導的影響。
該研究結果為進一步研究非常規SC狀態、roton-PDW和共存電荷序，是如何從Z2拓撲kagome帶中產生的，以及AV3Sb5突出性拓撲超導的前景提供了基礎和見解。（文：水生）
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