編織籃看似窸窣平常，平平無奇，但其編織圖案背后卻深藏著豐富的數(shù)學和物理的奧秘，六芒星型的編織圖案正是カゴメ格子（kagome lattice），即所謂籠目晶格的原型。1951年時任大阪大學教授的伏見康治與一同研究的莊司一郎在Physics Today上第一次提出了kagome lattice這一概念，用于指代由正六邊形和正三角形組成的一種平面密鋪結構。此后kagome格子作為一種晶格結構被應用到物理學中，并因其強阻挫晶格特性吸引了科研工作者的持續(xù)研究。

圖1：編織籃與kagome lattice

近期，一個新型準二維釩基kagome金屬AV3Sb5?(A = K, Rb, Cs) 體系引起了國內(nèi)多個課題組的共同關注，該體系是研究幾何阻挫、非平庸拓撲能帶以及多種電子序耦合與競爭的重要平臺。CsV3Sb5在低溫下2.5 K左右發(fā)生超導轉變，同時在95 K發(fā)生類CDW的相變。STM表征發(fā)現(xiàn)手性電荷序的出現(xiàn)打破了時間反演對稱性，可能在CDW相變溫度以下誘導出巨大的反?；魻栃?。此外，ARPES以及第一性原理計算表明該體系在Fermi面附近存在著Z2拓撲不變量的非平庸能帶結構。CsV3Sb5中的類CDW相變和超導電性開展了大量的理論和實驗研究，取得了一系列重要成果，對揭示該體系中奇特物性的關聯(lián)作用具有重要價值。

圖2：CsV3Sb5晶體結構示意圖

今年4月20日，中國科學院物理研究所的陳小龍研究員和郭建剛研究員與曲阜師范大學的劉曉兵教授和陳欣教授合作，通過高壓手段對CsV3Sb5的超導物性和結構演化進行了系統(tǒng)研究，相關成果以“Highly Robust Reentrant Superconductivity in CsV3Sb5?under Pressure”為題發(fā)表在《中國物理快報》上（Chin. Phys. Lett.?38, 057402 (2021)）。研究發(fā)現(xiàn)當壓力小于10 GPa時，超導臨界溫度(Tc)先增加至最大值7.6K，然后迅速減小并消失，形成了穹頂狀的超導I區(qū)。當壓力升高到15 GPa時超導再次出現(xiàn)，并且在壓力為53.6 GPa時Tc升高至5.2K，之后隨著壓力升高至100 GPa時，Tc緩慢降低至4.7K，形成了穹頂狀的超導II區(qū)。壓力下的原位拉曼測試表明超導再進入現(xiàn)象與高頻E2g振動模式的減弱以及低頻E1g振動模式的增強有關。結構預測表明，當壓力為100 GPa時CsV3Sb5沒有發(fā)生結構相變，化合物依然存在著十分穩(wěn)定的超導相。

圖3：CsV3Sb5超導臨界溫度隨著壓力變化相圖以及壓力下的原位拉曼測試，原位高壓測量在PPMS系統(tǒng)中進行，使用了DAC高壓包

中國科技大學陳仙輝/應劍俊團隊也在CsV3Sb5超導體研究中取得重要進展，相關研究成果于6月10日以“Unusual competition of superconductivity and charge-density-wave state in a compressed topological kagome metal”為題在線發(fā)表在《自然·通訊》上（Nat. Commun. 12, 3645 (2021)），并被推薦為亮點文章（Featured Article）。該文側重研究了CsV3Sb5材料中非尋常的電荷密度波（CDW）與超導的競爭關系，他們利用多種加壓手段，對CsV3Sb5材料在高壓下行為進行了系統(tǒng)研究，通過高壓電輸運測量和磁化率測量發(fā)現(xiàn)Tc隨壓力增加表現(xiàn)為雙穹頂狀的行為，而非傳統(tǒng)的單穹頂行為。當壓力在0.7-2 GPa之間樣品表現(xiàn)出了反常的Tc壓制，同時超導明顯展寬。當壓力達到2 GPa后，CDW被完全壓制，Tc最高可以達到8 K（是常壓下的3倍），這也是目前具有kagome格子的材料所報道的最高Tc。該反常的雙穹頂狀超導相圖可能是由公度的CDW態(tài)轉變?yōu)榻菴DW態(tài)導致的。該研究結果表明CsV3Sb5這種籠目結構超導材料中的超導態(tài)和CDW態(tài)對壓力非常敏感，同時也揭示了CsV3Sb5中不尋常的超導與CDW競爭，為研究其中非傳統(tǒng)的CDW機制提供了實驗線索。

圖4：CsV3Sb5單晶的壓力-溫度相圖，電輸運測量在PPMS系統(tǒng)開展，部分高壓磁化率測量在MPMS系統(tǒng)開展，使用了PCC高壓包

幾乎與此同時6月17日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX6組的博士生陳科宇、王寧寧、孫建平副研究員和程金光研究員，與凝聚態(tài)理論與材料計算重點實驗室T06組的蔣坤特聘研究員、胡江平研究員，聯(lián)合中國人民大學的雷和暢教授以及日本東京大學的Yoshiya Uwatoko教授，采用活塞-圓筒壓腔和六面砧大腔體高壓低溫物性測量裝置，在6.6 GPa靜水壓、1.5 K最低溫和8 T磁場的綜合極端環(huán)境下，對高質量的CsV3Sb5單晶開展了仔細的高壓磁電輸運以及磁性測量，并建立CsV3Sb5單晶的溫度-壓力相圖。該篇工作以“Double Superconducting Dome and Triple Enhancement of Tc in the Kagome Superconductor CsV3Sb5?under High Pressure”發(fā)表PRX（Phys. Rev. Lett.126(2021)）。他們發(fā)現(xiàn)CsV3Sb5單晶的CDW轉變逐漸被高壓抑制，并且其超導相出現(xiàn)了非單調變化的雙拱形相圖，這與在中間壓力區(qū)間CDW的特征變化是緊密相聯(lián)系的。在CDW消失的臨界壓力2 GPa附近其超導Tc升高至~8 K，是常壓Tc的近3倍。這些結果對理解AV3Sb5體系電子序之間的競爭和相互作用具有重要意義。

圖5：CsV3Sb5單晶的溫度-壓力相圖，部分高壓磁化率測量在MPMS系統(tǒng)開展，使用了PCC高壓包

除了壓力調控之外，中國科學院物理研究所SC4組的董曉莉研究員、俞理副研究員與SC2組的袁潔主任工程師、N04組的楊海濤副研究員等人就CsV3Sb5材料常壓下的各向異性超導特性開展了細致研究。合作者還有趙忠賢院士、高鴻鈞院士及胡江平研究員。該工作于今年4月21日以“Anisotropic Superconducting Properties of Kagome Metal CsV3Sb5”為題發(fā)表在《中國物理快報》上（Chin. Phys. Lett.?38, 057403 (2021)）。研究發(fā)現(xiàn)在0.5 T磁場下的混合態(tài)面內(nèi)轉角磁阻呈現(xiàn)出二重對稱性。更為有趣的是，隨著溫度改變，在2.8 K附近，最大磁阻方向旋轉了60°，這些奇異現(xiàn)象與該kagome體系復雜的電子和晶格環(huán)境密不可分。

圖6：CsV3Sb5高品質單晶的各向異性磁阻，極低溫磁性（0.4K）測量在MPMS-3系統(tǒng)中開展，應用了iHe3插桿，電學測量在PPMS系統(tǒng)中開展

此外，復旦大學李世燕教授、上海科技大學郭艷峰研究員和人民大學雷和暢教授等團隊探究了CsV3Sb5的超導配對機理（發(fā)表在預印本：arXiv:2102.08356），認為其超導結構為節(jié)點超導體。該文通過超低溫熱導率測量發(fā)現(xiàn)，零磁場下熱導率具有有限剩余線性項，而且該線性項具有顯著場依賴性，這為CsV3Sb5超導能隙結構中存在節(jié)點提供了有力證據(jù)。大范圍的壓力電阻測量表明兩個超導穹頂?shù)拇嬖?。這些結果都表明CsV3Sb5具有非常規(guī)的超導性。

圖7：CsV3Sb5材料極低溫熱導和大范圍溫度-壓力相圖，直流磁性測量在MPMS系統(tǒng)中開展，部分高壓電阻測量在PPMS系統(tǒng)中開展，使用了DAC高壓包

至此我們不難看出幾何、關聯(lián)和拓撲之間的相互依賴關系是解決凝聚態(tài)物理領域很多棘手問題的關鍵。推動這一前沿領域的進展直接有助于增進我們對量子物質機理理解和量子材料的應用，推動量子信息科學和能源相關技術研究。而CsV3Sb5因其不同尋常的晶格幾何結構，蘊含了包括幾何阻挫、強關聯(lián)以及拓撲電子態(tài)等豐富的物理特性，成為研究幾何、關聯(lián)和拓撲之間的相互依賴關系的理想平臺，為新奇電子序和電子序之間的關聯(lián)研究提供一片沃土。

PPMS綜合物性測量系統(tǒng)是在極低溫、強磁場環(huán)境下開展對此類材料研究的有力工具，在以上的諸多測量數(shù)據(jù)中都能看到它的身影。迄今為止國內(nèi)各科研單位課題組安裝的PPMS綜合物性測量系統(tǒng)以及最新的無液氦型號DynaCool已達到近240余套，其極低溫和強磁場環(huán)境下集成了全自動的磁性、電學、熱學甚至形貌觀測等各種物性測量手段。通過切換不同選件，可實現(xiàn)對像CsV3Sb5這樣具有豐富的新奇物性材料的多角度、深層次、全方面探究。Quantum Design助力您緊隨研究熱點，實現(xiàn)最便捷的綜合物性的測量。

圖8：全新一代綜合物性測量系統(tǒng)PPMS DynaCool

* 以上內(nèi)容均源于論文的客觀表述

相關新聞參考如下：

[1].?Chinese Physics Letters?5月7日 研究快訊 |CsV3Sb5中高度穩(wěn)定的超導再進入現(xiàn)象；

[2]. 科技戰(zhàn)略前沿研究中心 6月22日 中科大超導研究團隊在籠目結構超導體的高壓研究中取得重要進展；

[3].?中科院物理所?6月23日進展 |Kagome超導體CsV3Sb5的高壓研究進展；

[4].?Chinese Physics Letters?5月13日研究快訊 |Kagome化合物CsV3Sb5單晶超導態(tài)的各向異性。