北理工團隊在籠目結構超導材料方面取得重要進展
發布日期：2023-09-06 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院王秩偉研究員、姚裕貴教授團隊，與中國科學技術大學何俊峰教授、喬振華教授，以及中科院物理研究所高鴻鈞院士等人合作在《自然通訊》（Nature Communications）發表了對籠目結構超導材料CsV3-xTaxSb5中范霍夫奇點（von Hove Singularity, VHS）的研究。
在關聯材料體系中，VHS為理解電子態密度發散提供了一個范例。在VHS處，電子庫侖力占主導，這反過來又會導致系統中多重不平衡態的出現，包括電荷密度波（CDW）、自旋密度波（SDW）、d波超導體等。在該類超導體中，一個理想的范霍夫情景主要通過兩種途徑來實現。一種是增加態密度，通過常規或非常規的電子-玻色子配對來完成庫珀配對；另一種是由VHS處共存的電子和空穴之間的庫侖力驅動形成非常規的電子配對。這對VHS的能級位置要求嚴格，使其在真實材料中的實現具有挑戰性。最近，AV3Sb5 籠目結構超導材料系列得到了廣泛關注。其電子結構中存在著多個VHS，同時該材料中存在二維VHS的兩種主要的不平衡態——CDW和超導，這為我們探索范霍夫情景提供了良好的研究平臺。雖然理論預測得到了良好的結果，但是依然缺少實驗證據來表明VHS的作用。
在該工作中，通過對比研究了母相CsV3Sb5和Ta摻雜CsV3-xTaxSb5（x~0.4）。我們發現CsV2.6Ta0.4Sb5材料的CDW被完全抑制，超導轉變溫度（Tc）達到最高，約為5.5K，是CsV3Sb5系列材料中觀察到的常壓條件下的最高超導轉變溫度。主要結論有：（1） 對摻雜Ta的材料進行角分辨光電子能譜儀的測試，表明籠目晶格中V 原子d軌道在費米能級的M點處形成了完美的VHS，實現了類電子帶與類空穴帶的共存。這一結果通過第一性原理計算得到定量地再現；（2）進一步證明了，CDW等競爭序的抑制不足以解釋Tc的提高，而且Tc（超導能隙）與VHS在沒有競爭序樣品中的能級位置有關。同時，隨Ta原子的替換，其他低能態及相關的電子-玻色子耦合的變化可以忽略不計。因此，該工作的結果直接建立了顯著增強的超導性和在費米能級上的VHS之間的聯系；（3）光譜成像的掃描隧道顯微鏡（STM）測量進一步揭示了CsV3-xTaxSb5（x~0.4）的超導態不同于母體CsV3Sb5。這些結果證明了范霍夫情景在籠目超導體中是可以存在的。
物理學院博士生劉錦錦為文章的共同第一作者，王秩偉研究員為共同通訊作者。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、北京理工大學青年教師學術啟動計劃等相關項目的支持。
圖1. 25K下CsV-3Sb5和CsV2.6Ta0.4Sb5的能帶結構圖
圖2 對比母體CsV3Sb5，CsV2.6Ta0.4Sb5獨特的超導態
相關文章鏈接如下：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39500-7
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