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我校物理學院、中科院強耦合量子材料物理實驗室和合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心的陳仙輝、王震宇超導研究團隊與安徽大學單磊研究組、中科院物理研究所蔣坤特聘研究員合作，近日在籠目結(jié)構(gòu)(kagome)超導體的研究中取得重要進展。研究團隊在籠目超導CsV3Sb5中觀測到三維電荷密度波和超導共存的現(xiàn)象，并在超導磁通芯子內(nèi)發(fā)現(xiàn)了馬約拉納零能模的存在跡象。有趣的是，該馬約拉納零能模特征信號隨著表面組分及電荷密度波的調(diào)制出現(xiàn)演化，這為調(diào)控馬約拉納激發(fā)提供了新的可能性。相關研究成果于8月2日以 “Three-Dimensional Charge Density Wave and Surface-Dependent Vortex-Core States in a Kagome Superconductor CsV3Sb5”為題發(fā)表于《物理評論X》上[Physical ReviewX11, 031026 (2021)]。

由于其特殊的幾何構(gòu)型，具有二維籠目結(jié)構(gòu)的材料能帶中往往具有平帶、范霍夫奇點和類似于石墨烯的狄拉克型色散，因而能夠誘導產(chǎn)生一系列關聯(lián)拓撲物態(tài)。當這類材料進入超導態(tài)時，則有可能獲得拓撲非平庸的超導態(tài)。AV3Sb5(A=K, Rb, Cs)是近期被發(fā)現(xiàn)的一類層狀籠目超導體，在超導轉(zhuǎn)變溫度之上還存在電荷密度波態(tài)，且二者在壓力下表現(xiàn)出反常的競爭關系（Nat.Commun. 12, 3645 (2021)。除了超導和電荷密度波外，AV3Sb5中可存在能帶反轉(zhuǎn)，具有拓撲非平庸的狄拉克表面態(tài)。深入了解該體系中的電荷密度波和超導態(tài)的本質(zhì)，以及其中可能的奇特準粒子激發(fā)成為了當前研究的重點內(nèi)容。

利用低溫掃描隧道顯微鏡技術，研究團隊在CsV3Sb5的表面上觀測到了2×2的電荷密度波序（圖A）和它所打開的電子能隙。在臺階處的測量表明該電荷序具有三維特征(2×2×2)，在相鄰兩層籠目格子上具有相反的相位。該電荷序?qū)诫s非常敏感，在表面可以誘導出新的條紋狀電子序，從而出現(xiàn)不同的調(diào)制圖樣(圖C)。進入超導態(tài)后，通過在堿金屬Cs表面觀測磁通內(nèi)準粒子激發(fā)隨空間的演化，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個具有30納米空間尺度的零能電導峰。該零能峰的空間分布與傳統(tǒng)的超導磁通態(tài)不同，而與拓撲絕緣體/超導體異質(zhì)結(jié)中馬約拉納零能模的特征一致（圖D）。這一零能峰被認為來源于拓撲非平庸的狄拉克表面態(tài)。重要的是，隨著表面Cs原子的減少，電荷密度波調(diào)制改變的同時，磁通態(tài)的空間演化行為也發(fā)生了明顯的變化，逐漸趨向于傳統(tǒng)超導的情況（圖F）。這意味著在該體系中，可以通過改變表面條件和電荷密度波來實現(xiàn)對馬約拉納零能模的調(diào)控。該研究也表明籠目結(jié)構(gòu)材料是研究拓撲超導的理想候選體系之一。

合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心的博士研究生梁作偉、安徽大學的侯興元博士和博士生張凡為論文的共同第一作者，王震宇教授、陳仙輝教授和安徽大學單磊教授為文章的共同通訊作者。相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院以及安徽省引導項目和領軍人才團隊項目的資助。

論文鏈接：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圖。D-F:不同表面情況下磁通態(tài)隨空間的演化規(guī)律。在Cs表面上，30nm空間尺度的零能電導峰對應著馬約拉納束縛態(tài)的出現(xiàn)。隨著表面的演化，該特征逐漸消失。

（物理學院、合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、中科院量子信息與量子創(chuàng)新研究院、科研部）