北理工團隊在Kagome超導研究中取得重要進展
發布日期：2022-11-29 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：近日，北理工物理學院王秩偉特別研究員、姚裕貴教授團隊在Nb摻雜籠目結構 (Kagome structure) 超導體CsV3Sb5中取得系列進展。準二維材料AV3Sb5（A="K，Rb，Cs）被發現是Kagome超導體的典型范例，是研究電子相關效應、拓撲性和幾何挫折之間相互作用的一個新型量子平臺。多種研究手段顯示AV3Sb5的超導電性表現出與電荷密度波（CDW）共存的特征，然而超導性和電荷密度波的產生機制仍然存在爭議。
為了探索Kagome超導體CsV3Sb5超導性和電荷密度波的產生機制以及其內在聯系，博士生李永愷（現為北理工物理學院博士后）在王秩偉研究員的指導下成功地合成了Nb摻雜Cs(V1-xNbx)3Sb5單晶樣品，發現這個體系的Nb摻雜極限為7%，通過XRD結構精修證實Nb替代V位，從而對該體系的VSb二維Kagome格子層進行有效調控。進一步系統研究了體系的電荷密度波和超導電性隨Nb摻雜量的變化。通過電輸運測量發現Nb摻雜可以逐漸抑制電荷密度波同時增強了超導電性，最高超導溫度為4.45K，這表明電荷密度波和超導之間存在競爭關系，如圖1所示。同時，隨著Nb摻雜量的提高，反?；魻栃c電荷密度波一起顯著減弱，這為反?；魻栃c電荷密度波之間可能存在的密切關系提供了實驗證據，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特性
圖2. Cs(V1-xNbx)3Sb5中反?；魻栃SNb摻雜濃度增加而變弱
為了解釋電荷密度波和超導之間的這種競爭關系，我們進行了第一性原理計算，如圖3所示：第一性原理計算結果表明Nb的摻雜使得M處的范霍夫奇點發生了變化，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?處的電子口袋擴大，這為超導配對提供了更多的電子態密度，因而提高了超導性，我們結果揭示了Cs(V1-xNbx)3Sb5體系中電荷密度波和超導之間不同尋常的競爭。相關工作得到了南京大學聞?；⒔淌谡n題組的合作，成果以Letter的形式發表在Physical Review B上 [PRB 105, L180507 (2022)]。
圖3. Cs(V1-xNbx)3Sb5（x="0與x=0.07）的電子能帶結構理論計算
為了進一步驗證我們的理論計算并研究Nb摻雜對CsV3Sb5體系的電子能帶結構的影響，研究團隊與日本東北大學的T. Sato課題組合作，通過角分辨光電子能譜(ARPES)對Cs(V1-xNbx)3Sb5電子能帶結構開展了系統研究。ARPES結果顯示，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，導致范霍夫奇點遠離費米能級，從而導致電荷密度波轉變溫度TCDW變低且CDW強度越來越弱，如圖4、5所示。該結論表明電荷密度波的產生與范霍夫奇點緊密關聯。同時我們還發現，Nb摻雜導致超導轉變溫度Tc升高的內在物理本質是：Nb摻雜導致Sb衍生的α帶的電子口袋擴大和費米面處V衍生的電子態密度恢復共同作用導致超導電性增強。相關工作發表在Physical Review Letters上 [PRL, 129, 206402 (2022)]。
圖4. 在120K時Cs(V1-xNbx)3Sb5（x="0與x=0.07）的電子能帶結構
圖5. Cs(V1-xNbx)3Sb5電子能帶結構隨溫度和Nb摻雜濃度的演化
總而言之，我們通過Nb摻雜調控了Kagome格子超導體CsV3Sb5的能帶結構，進而改變其超導電性和電荷密度波相變條件，為揭示CsV3Sb5中超導電性和電荷密度波的起因提供了重要實驗證據。
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。
相關文章鏈接如下：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.206402
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.L180507
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