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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳仙輝院士、王震宇教授等人在籠目超導(dǎo)的電子向列相研究中取得重要進(jìn)展。利用譜學(xué)成像-掃描隧道顯微技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在籠目超導(dǎo)體Cs(V, Ti)3Sb5中成功獲得了向列相中電子結(jié)構(gòu)的微觀信息，觀察到了電-聲子耦合所導(dǎo)致的單向電子自能修正，并發(fā)現(xiàn)電子向列相與超導(dǎo)態(tài)之間存在競(jìng)爭關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解籠目超導(dǎo)體的演生物理提供了重要的實(shí)驗(yàn)線索，也為研究實(shí)際晶格體系中電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供了新的方向。相關(guān)研究成果于5月11日以“Unidirectional electron–phonon coupling in the nematic state of a kagome superconductor”為題發(fā)表在《Nature Physics》雜志。

電子向列相是由電子波函數(shù)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性自發(fā)破缺而產(chǎn)生的有序態(tài)，廣泛存在于銅基/鐵基高溫超導(dǎo)體、量子霍爾絕緣體以及雙層轉(zhuǎn)角石墨烯等體系中。研究電子向列相中電子的集體組織原則以及它對(duì)其它電子序的影響是凝聚態(tài)物理的重要研究課題之一。近幾年，籠目超導(dǎo)體AV3Sb5(A = K, Rb, Cs)的發(fā)現(xiàn)為研究三角格子中的電子態(tài)對(duì)稱破缺提供了一個(gè)重要平臺(tái)。在籠目超導(dǎo)CsV3Sb5體系的前期研究中，中科大陳仙輝院士團(tuán)隊(duì)成功揭示了面內(nèi)三重調(diào)制的電荷密度波態(tài)（Phys. Rev. X11, 031026 (2021)），觀察到并闡明了壓力下電荷密度波的演化及其與超導(dǎo)態(tài)的反常競(jìng)爭關(guān)系（Nat. Commun.12, 3645 (2021)；Nature 611, 682-687 (2022)），同時(shí)發(fā)現(xiàn)該電荷密度波在低溫下可以演化出一類新奇的電子向列相（Nature604, 59–64 (2022)）。由于電子向列相一般對(duì)局域晶格畸變和無序非常敏感，容易形成疇界，使得其微觀特征很難被常規(guī)手段探測(cè)到。

陳仙輝院士團(tuán)隊(duì)王震宇教授等人利用準(zhǔn)粒子相干散射成像技術(shù)對(duì)鈦摻雜的籠目超導(dǎo)體Cs(V, Ti)3Sb5中的電子向列相和超導(dǎo)態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該技術(shù)利用對(duì)電子（準(zhǔn)粒子）波函數(shù)相干散射的測(cè)量從而獲得單疇內(nèi)的微觀電子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)入電子向列相后，籠目晶格所對(duì)應(yīng)的電子能帶出現(xiàn)了明顯的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱破缺。對(duì)電子色散和準(zhǔn)粒子壽命的全面分析發(fā)現(xiàn)，電-聲子耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致籠目晶格能帶上出現(xiàn)單向的電子自能修正，從而使得電子色散和電子低能動(dòng)力學(xué)出現(xiàn)強(qiáng)烈的二度對(duì)稱特征。

相干散射測(cè)量結(jié)果還能反映電子波函數(shù)的相干信息。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在電子向列相溫度以上，籠目晶格能帶所對(duì)應(yīng)的干涉圖樣迅速消失，電子波函數(shù)相干性明顯變差。這說明在該體系中，電子向列相是電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)和聲子共同作用所形成的電子相干態(tài)。當(dāng)相干溫度升高時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度明顯下降，表明這兩個(gè)電子有序態(tài)之間存在著競(jìng)爭關(guān)系。對(duì)超導(dǎo)態(tài)準(zhǔn)粒子的進(jìn)一步系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子向列相和電荷密度波序隨著摻雜消失時(shí)，籠目晶格能帶將貢獻(xiàn)主要的超導(dǎo)能隙，支持了二者之間的相互競(jìng)爭。

圖1. 籠目超導(dǎo)中的準(zhǔn)粒子相干散射圖像與籠目能帶上的單向電聲子耦合

上述結(jié)果揭示了籠目超導(dǎo)體向列相中電子結(jié)構(gòu)的微觀特征以及它和超導(dǎo)態(tài)的競(jìng)爭關(guān)系，為理解該體系中多種電子有序態(tài)的起源與相互影響提供了重要的實(shí)驗(yàn)線索，也為探索更多體系中電子關(guān)聯(lián)和聲子自由度的協(xié)同作用提供了一個(gè)新的研究方向。

中科大物理學(xué)院的博士研究生吳平和安徽大學(xué)的涂玉兵為文章的共同第一作者，王震宇教授和陳仙輝教授為文章的共同通訊作者。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省引導(dǎo)項(xiàng)目以及校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-02031-5

（物理學(xué)院、中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部）