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2021年08月04日
中科大超导研究团队在笼目结构超导体研究中取得重要进展

我校物理学院、中科院强耦合量子材料物理实验室和合肥微尺度物质科学国家研究中心的陈仙辉、王震宇超导研究团队与安徽大学单磊研究组、中科院物理研究所蒋坤特聘研究员合作,近日在笼目结构(kagome)超导体的研究中取得重要进展。研究团队在笼目超导CsV3Sb5中观测到三维电荷密度波和超导共存的现象,并在超导磁通芯子内发现了马约拉纳零能模的存在迹象。有趣的是,该马约拉纳零能模特征信号随着表面组分及电荷密度波的调制出现演化,这为调控马约拉纳激发提供了新的可能性。相关研究成果于8月2日以 “Three-Dimensional Charge Density Wave and Surface-Dependent Vortex-Core States in a Kagome Superconductor CsV3Sb5”为题发表于《物理评论X》上[Physical ReviewX11, 031026 (2021)]。

由于其特殊的几何构型,具有二维笼目结构的材料能带中往往具有平带、范霍夫奇点和类似于石墨烯的狄拉克型色散,因而能够诱导产生一系列关联拓扑物态。当这类材料进入超导态时,则有可能获得拓扑非平庸的超导态。AV3Sb5(A=K, Rb, Cs)是近期被发现的一类层状笼目超导体,在超导转变温度之上还存在电荷密度波态,且二者在压力下表现出反常的竞争关系(Nat.Commun. 12, 3645 (2021)。除了超导和电荷密度波外,AV3Sb5中可存在能带反转,具有拓扑非平庸的狄拉克表面态。深入了解该体系中的电荷密度波和超导态的本质,以及其中可能的奇特准粒子激发成为了当前研究的重点内容。

利用低温扫描隧道显微镜技术,研究团队在CsV3Sb5的表面上观测到了2×2的电荷密度波序(图A)和它所打开的电子能隙。在台阶处的测量表明该电荷序具有三维特征(2×2×2),在相邻两层笼目格子上具有相反的相位。该电荷序对掺杂非常敏感,在表面可以诱导出新的条纹状电子序,从而出现不同的调制图样(图C)。进入超导态后,通过在碱金属Cs表面观测磁通内准粒子激发随空间的演化,研究人员发现了一个具有30纳米空间尺度的零能电导峰。该零能峰的空间分布与传统的超导磁通态不同,而与拓扑绝缘体/超导体异质结中马约拉纳零能模的特征一致(图D)。这一零能峰被认为来源于拓扑非平庸的狄拉克表面态。重要的是,随着表面Cs原子的减少,电荷密度波调制改变的同时,磁通态的空间演化行为也发生了明显的变化,逐渐趋向于传统超导的情况(图F)。这意味着在该体系中,可以通过改变表面条件和电荷密度波来实现对马约拉纳零能模的调控。该研究也表明笼目结构材料是研究拓扑超导的理想候选体系之一。

合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士研究生梁作伟、安徽大学的侯兴元博士和博士生张凡为论文的共同第一作者,王震宇教授、陈仙辉教授和安徽大学单磊教授为文章的共同通讯作者。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院以及安徽省引导项目和领军人才团队项目的资助。

论文链接:https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.11.031026

A –C: CsV3Sb5不同表面的原子分辨形貌图。D-F:不同表面情况下磁通态随空间的演化规律。在Cs表面上,30nm空间尺度的零能电导峰对应着马约拉纳束缚态的出现。随着表面的演化,该特征逐渐消失。

物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子创新研究院、科研部

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