manbetx网页登录版与中科院上海微系统研究所联合团队在笼目晶格超导体电子结构研究中取得重要进展

ON2021-12-21文章来源 物质科学与技术学院CATEGORY新闻

近日,manbetx网页登录版物质科学与技术学院郭艳峰课题组、刘健鹏课题组与中国科学院上海微系统与信息技术研究所沈大伟课题组在具有笼目(kagome)晶格结构的超导体RbV3Sb5中发现了电荷密度波(CDW)形成引起的能带重整化和能隙的打开,对研究该类材料的输运性质和超导机理有重要意义。相关成果发表于国际知名期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters

在固体中,原子按一定方式排列的晶格结构会产生一些特殊的电子结构,进而引起新奇的物态。kagome晶格由共享顶点的三角格子连接而成,呈现出如图一所示的三角格子和六边格子面内交错排列。该材料体系的电子结构既包括六角晶格具有的线性狄拉克锥(Dirac cone),也具有由于相位相消产生的局域电子平带。具有kagome晶格结构的化合物是研究几何阻挫、关联效应和拓扑量子态等物理性质的重要材料平台。另外,材料中的平带在有限动量空间具有高能态密度的局域电子态,有可能诱发莫特(Mott)绝缘态,新颖磁性,分数量子霍尔态,以及非常规超导电性。


图一:RV3Sb5晶体结构示意图及单晶基本表征数据


近期,由V原子形成kagome晶格超导材料AV3Sb5 (A=K, Rb和Cs)引起了人们强烈的研究兴趣。AV3Sb5体系本身为Z2拓扑金属,在78-103 K发生CDW相变,在50-30 K附近出现反常霍尔及反常能斯特效应,在0.93-2.5 K出现超导电性。虽然中子散射和磁化率测量表明体系不具有长程磁序,但扫描隧道显微镜和muon子散射测量都发现体系在CDW相发生时间反演对称性破缺。另外,高压实验表明体系存在三个钟型超导区间。人们针对该体系中的CDW相和超导电性开展了大量的理论和实验研究,AV3Sb5体系成为了凝聚态物理研究的热点材料体系。


图二:(a) - (b) CDW态RbV3Sb5晶格及布里渊区示意图。(c)CDW转变温度以上沿高对称线电子结构(包含自旋-轨道耦合)。(d) - (e) CDW温度以下沿 M-K方向在新范霍夫奇点附近的鞍点;(e)计算的范霍夫奇点附近鞍点区域能带在kx-ky面投影;(f) M点附近空穴型能带能量分布曲线随着温度的移动,显示了CDW温度下能隙打开及随温度变化情况。


基于生长的高品质单晶(图一),研究团队利用角分辨光电子能谱  (ARPES)研究了RbV3Sb5的电子结构随温度的变化。如图所示,该材料布里渊区边界M点存在多个鞍点,并且M点能带在CDW相变温度上下发生很大的变化。实验观测到的CDW诱导的能带重整化与理论计算的反David星型的晶格扭曲形成的CDW相能带结构相似,这暗示着CDW可能是由于M点轨道选择的鞍点之间的嵌套导致的。并且,重整化后的能带在M-K方向上,费米能级以下60 meV形成一个新的范霍夫(van Hove)奇点,该奇点可能与低温下超导相有关。另外,CDW相使得材料费米面只在M点附近打开能隙,在布里渊区中心(G点)和具有Dirac色散的K点都没有测量到能隙的打开,这样参与超导配对的电子只能存在于没有被CDW打开能隙的费米能附近。该研究揭示了CDW相和超导相的形成涉及了不同轨道和动量的电子态,对研究体系的有序相和超导机理都有重要意义。

中科院上海微系统所沈大伟课题组博士后Soohyun Cho,manbetx网页登录版物质学院郭艳峰课题组博士毕业生、现拓扑物理实验室博士后夏威,刘健鹏课题组博士后马海洋为共同第一作者。沈大伟研究员、郭艳峰教授及刘健鹏教授为本论文共同通讯作者。本研究工作受到了国家自然科学基金委、科技部、以及manbetx网页登录版启动经费的支持。研究成果主要基于上海同步辐射光源03U原位电子结构平台测量完成。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.236401