新型钒基Kagome超导体展现无能隙节点的超导配对

原创中国科学物理辑中国科学杂志社

利用基于隧道二极管共振技术的磁场穿透深度测量，科学家们发现CsV₃Sb₅的超导能隙不存在节点，并且可由多带s-波超导模型来描述。该项工作最近发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 的Editor’s Focus栏目，为研究这类新型Kagome超导体的超导配对提供了重要实验依据。

基于其特殊的几何结构，Kagome 晶格本征地展现出拓扑电子态，并且在电子结构中出现平带，是研究新颖演生物态的理想平台。在近期发现的Kagome超导体 AV₃Sb₅ (A =K, Rb, Cs)中，V原子形成完美的 Kagome 晶格(图1)。由于罕见的在理想 Kagome晶格中实现了超导，并且同时展现出拓扑表面态和奇特的电荷密度波，最近该材料体系引起了物理学界的广泛关注。除了揭示其独特的电荷密度波性质及其与超导的相互作用外，该材料体系的超导配对对称性和超导配对机理是需要解决的一个关键问题。

图1 CsV₃Sb₅的晶体结构，其中V原子形成 Kagome 晶格

最近，SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 的Editor’s Focus栏目发表浙江大学关联物质研究中心袁辉球教授和宋宇研究员的一项研究成果。通过基于隧道二级管共振技术的低温磁场穿透深度测量，该团队首次发现CsV₃Sb₅的超导态没有能隙节点，且其超流密度可由两能隙的s-波超导模型进行拟合，为揭示该类Kagome材料的超导机理提供了重要实验依据。

图2 CsV₃Sb₅中磁场穿透深度的温度依赖关系，其中具有能隙节点的温度依赖无法描述实验数据，而无节点的指数温度依赖和数据吻合良好。

超导配对对称性是揭示超导机理的重要物理量，不同超导配对对称性的超导能隙呈现出不同特点，表现出不同的物理行为。例如，常规超导体一般展现 s-波对称性，超导序参量在动量空间没有能隙节点（节点指超导波函数在动量空间变为零的位置），其低温磁场穿透深度和电子比热系数通常随温度指数变化。而对于 p-波和 d-波超导，超导能隙一般在动量空间分别具有点状和线状节点，磁场穿透深度和电子比热等热力学量遵循幂指数的温度依赖关系。

基于隧道二极管共振技术的低温磁场穿透深度测量装置具有灵敏度高、测量温度低等优点，可以精确给出磁场穿透深度随温度的变化关系，因而是研究超导序参量结构，进而获得超导配对对称性的重要实验手段。

图3 CsV₃Sb₅归一化超流密度随T/T_c的变化关系。两能带s-wave模型与实验数据吻合良好。

在此项工作中，研究人员基于隧道二极管共振技术，测量了高质量CsV₃Sb₅样品的磁场穿透深度随温度的变化，最低测量温度达到0.07 K。实验发现，该化合物的磁场穿透深度在0.2 K以下趋于常数，其低温行为遵循温度的指数依赖关系，表明其超导能隙无节点（图2）。进一步的分析表明，其超流密度随温度的变化可以由两能隙的s-波超导模型拟合，而其他具有能隙节点的超导配对波函数（例如简单的p-波和d-波超导）都与实验结果不符（图3）。为了进一步确认这一实验结果，研究团队还对来自不同课题组的多个样品进行了测量，并结合比热数据的分析，发现所得实验结果都给出了高度一致的结论。值得指出的是，虽然该项研究表明CsV₃Sb₅展现出两能隙s-波超导的性质，但其超导序参量是否在能带间发生相位变化（s±或s++）仍需进一步研究。

该研究成果丰富了人们对 AV₃Sb₅ 中超导配对对称性的认识，为进一步理解该体系中的超导配对机理及其与电荷密度波的关系提供了重要实验证据，从而有效地限制了可能的理论模型。

该项研究由浙江大学、中国科技大学和美国加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家共同完成。论文第一作者为浙江大学博士研究生段玮茵，浙江大学关联物质研究中心的宋宇研究员和袁辉球教授为共同通讯作者。高质量单晶样品由中国科学技术大学陈仙辉院士小组和美国加州大学圣塔芭芭拉分校的Stephen Wilson教授小组提供。

作者简介

段玮茵

目前于浙江大学物理学系凝聚态物理专业攻读博士学位，主要研究方向为超导及其序参量的测量。

宋宇

博士毕业于美国莱斯大学，并在美国加州大学伯克利分校从事博士后工作。于2020年入选国家青年高层次人才计划，并作为百人计划研究员加入浙江大学物理学系。主要研究兴趣为通过中子和X射线散射探测关联和磁性量子材料的结构和磁性。

袁辉球

浙江大学物理学系求是特聘教授、关联物质研究中心常务副主任，入选国家高层次人才计划。主要从事低温、高压、强磁场等极端条件下关联电子材料的奇异电子态研究，在非常规超导，量子相变和关联拓扑量子态等方面取得了系列重要进展。

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DUAN Weiyin, NIE Zhiyong, LUO Shuaishuai, YU Fanghang, ORTIZ Brenden R., YIN Lichang, SU Hang, DU Feng, WANG An, CHEN Ye, LU Xin, YING Jianjun, WILSON Stephen D., CHEN Xianhui, SONG Yu & YUAN Huiqiu , Nodeless superconductivity in the Kagome metal CsV₃Sb₅, SCIENCE CHINA Physics Mechanics & Astronomy 64, 107462 (2021)

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