王秩伟研究员、姚裕贵教授团队在笼目结构超导材料方面取得重要进展

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近日，北京理工大学物理学院王秩伟研究员、姚裕贵教授团队，与中国科学技术大学何俊峰教授、乔振华教授，以及中科院物理研究所高鸿钧院士等人合作在《自然通讯》（Nature Communications）发表了对笼目结构超导材料CsV3-xTaxSb5中范霍夫奇点（von Hove Singularity, VHS）的研究。
        在关联材料体系中，VHS为理解电子态密度发散提供了一个范例。在VHS处，电子库仑力占主导，这反过来又会导致系统中多重不平衡态的出现，包括电荷密度波（CDW）、自旋密度波（SDW）、d波超导体等。在该类超导体中，一个理想的范霍夫情景主要通过两种途径来实现。一种是增加态密度，通过常规或非常规的电子-玻色子配对来完成库珀配对；另一种是由VHS处共存的电子和空穴之间的库仑力驱动形成非常规的电子配对。这对VHS的能级位置要求严格，使其在真实材料中的实现具有挑战性。最近，AV3Sb5 笼目结构超导材料系列得到了广泛关注。其电子结构中存在着多个VHS，同时该材料中存在二维VHS的两种主要的不平衡态——CDW和超导，这为我们探索范霍夫情景提供了良好的研究平台。虽然理论预测得到了良好的结果，但是依然缺少实验证据来表明VHS的作用。

图1. 25K下CsV­3Sb5和CsV2.6Ta0.4Sb5的能带结构图

         在该工作中，通过对比研究了母相CsV3Sb5和Ta掺杂CsV3-xTaxSb5（x~0.4）。我们发现CsV2.6Ta0.4Sb5材料的CDW被完全抑制，超导转变温度（Tc）达到最高，约为5.5K，是CsV3Sb5系列材料中观察到的常压条件下的最高超导转变温度。主要结论有：（1） 对掺杂Ta的材料进行角分辨光电子能谱仪的测试，表明笼目晶格中V 原子d轨道在费米能级的M点处形成了完美的VHS，实现了类电子带与类空穴带的共存。这一结果通过第一性原理计算得到定量地再现；（2）进一步证明了，CDW等竞争序的抑制不足以解释Tc的提高，而且Tc（超导能隙）与VHS在没有竞争序样品中的能级位置有关。同时，随Ta原子的替换，其他低能态及相关的电子-玻色子耦合的变化可以忽略不计。因此，该工作的结果直接建立了显著增强的超导性和在费米能级上的VHS之间的联系；（3）光谱成像的扫描隧道显微镜（STM）测量进一步揭示了CsV3-xTaxSb5（x~0.4）的超导态不同于母体CsV3Sb5。这些结果证明了范霍夫情景在笼目超导体中是可以存在的。
        物理学院博士生刘锦锦为文章的共同第一作者，王秩伟研究员为共同通讯作者。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京理工大学青年教师学术启动计划等相关项目的支持。
        相关文章链接如下：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39500-7
           文章来源：北京理工大学
       姚裕贵， 江西省星子县人，1971年生。现为北京理工大学工作，任教授、博士生导师、理论和计算物理中心主任、物理学院副院长。