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(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)。此后kagome格子作為一種晶格結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到物理學(xué)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(guān)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(dǎo)轉(zhuǎn)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(dǎo)出巨大的反?；魻栃?yīng)。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(jié)構(gòu)。CsV3Sb5中的類CDW相變和超導(dǎo)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(guān)聯(lián)作用具有重要價值。

圖2：CsV3Sb5晶體結(jié)構(gòu)示意圖

今年4月20日，中國科學(xué)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(xué)的劉曉兵教授和陳欣教授合作，通過高壓手段對CsV3Sb5的超導(dǎo)物性和結(jié)構(gòu)演化進行了系統(tǒng)研究，相關(guān)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(dǎo)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(dǎo)I區(qū)。當壓力升高到15 GPa時超導(dǎo)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(dǎo)II區(qū)。壓力下的原位拉曼測試表明超導(dǎo)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(guān)。結(jié)構(gòu)預(yù)測表明，當壓力為100 GPa時CsV3Sb5沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，化合物依然存在著十分穩(wěn)定的超導(dǎo)相。

圖3：CsV3Sb5超導(dǎo)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(xué)陳仙輝/應(yīng)劍俊團隊也在CsV3Sb5超導(dǎo)體研究中取得重要進展，相關(guān)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(cè)重研究了CsV3Sb5材料中非尋常的電荷密度波（CDW）與超導(dǎo)的競爭關(guān)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(dǎo)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(dǎo)相圖可能是由公度的CDW態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻菴DW態(tài)導(dǎo)致的。該研究結(jié)果表明CsV3Sb5這種籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料中的超導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(xué)的雷和暢教授以及日本東京大學(xué)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(zhì)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(zhuǎn)變逐漸被高壓抑制，并且其超導(dǎo)相出現(xiàn)了非單調(diào)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(dǎo)Tc升高至~8 K，是常壓Tc的近3倍。這些結(jié)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(diào)控之外，中國科學(xué)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)了60°，這些奇異現(xiàn)象與該kagome體系復(fù)雜的電子和晶格環(huán)境密不可分。

圖6：CsV3Sb5高品質(zhì)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(yīng)用了iHe3插桿，電學(xué)測量在PPMS系統(tǒng)中開展

此外，復(fù)旦大學(xué)李世燕教授、上?？萍即髮W(xué)郭艷峰研究員和人民大學(xué)雷和暢教授等團隊探究了CsV3Sb5的超導(dǎo)配對機理（發(fā)表在預(yù)印本：arXiv:2102.08356），認為其超導(dǎo)結(jié)構(gòu)為節(jié)點超導(dǎo)體。該文通過超低溫?zé)釋?dǎo)率測量發(fā)現(xiàn)，零磁場下熱導(dǎo)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(dǎo)能隙結(jié)構(gòu)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(dǎo)穹頂?shù)拇嬖?。這些結(jié)果都表明CsV3Sb5具有非常規(guī)的超導(dǎo)性。

圖7：CsV3Sb5材料極低溫?zé)釋?dǎo)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(guān)聯(lián)和拓撲之間的相互依賴關(guān)系是解決凝聚態(tài)物理領(lǐng)域很多棘手問題的關(guān)鍵。推動這一前沿領(lǐng)域的進展直接有助于增進我們對量子物質(zhì)機理理解和量子材料的應(yīng)用，推動量子信息科學(xué)和能源相關(guān)技術(shù)研究。而CsV3Sb5因其不同尋常的晶格幾何結(jié)構(gòu)，蘊含了包括幾何阻挫、強關(guān)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(guān)聯(lián)和拓撲之間的相互依賴關(guān)系的理想平臺，為新奇電子序和電子序之間的關(guān)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(xué)、熱學(xué)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)研究團隊在籠目結(jié)構(gòu)超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)態(tài)的各向異性。