【儀表網 研發快訊】籠目晶格(kagome)材料具有獨特的共頂點三角形二維網格，從而呈現幾何阻挫、平帶、狄拉克交點，范霍夫奇異點、拓撲能帶以及子晶格量子干涉效應等特征，孕育了豐富的量子物態。基于過渡金屬的籠目晶格化合物，是探索幾何阻挫、關聯效應、磁性及拓撲等豐富物理性質的重要材料體系。近年來籠目金屬AV3Sb5(A=K, Rb, Cs) 中涌現出豐富的量子物性，其非常規電荷密度波與超導競爭，并與多種對稱性破缺(空間平移對稱性、空間旋轉對稱性和時間反演對稱性等)相互交纏。因此探索合成全新的、沒有電荷密度波序的籠目超導材料，在研究電子關聯、對稱性破缺以及拓撲量子物態方面具有重要意義。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士帶領的聯合研究團隊對新型籠目材料的創制及其物性進行了探索研究。楊海濤研究員和博士生趙振經過大量摸索，成功合成出全新的鈦基籠目超導體CsTi3Bi5(CTB)；中國科學院大學(國科大)周武教授等對樣品原子結構進行了掃描透射電子顯微學分析；中國科學院物理所董曉莉研究員、博士生劉家利和張宇航等進行了宏觀物性測量；博士生耶郁晗和陳輝副研究員等利用極低溫-強磁場掃描隧道顯微鏡/譜研究了該體系的超導能隙與對稱性破缺電子態；美國波士頓學院Ziqiang Wang(汪自強)教授、國科大蘇剛教授和博士生易鑫偉等開展了相關理論研究。他們發現：1)在超導態下，CTB表面展現出兩種類型的能隙特征，約瑟夫森掃描隧道譜進一步證實能隙起源于其超導電性；2)兩種超導能隙均在面內磁場下呈現出二重對稱而非晶格的六重對稱，體現了超導態具旋轉對稱性破缺的特性。3)在正常態，CTB的形貌呈現出與晶體結構相匹配的六重對稱性，但其準粒子干涉圖樣呈現出二重旋轉對稱性，極軸的極大值方向與超導能隙極軸的極大值方向一致，揭示了CTB中內稟的電子向列相。
該研究成果成功地創制了全新鈦基籠目超導體CsTi3Bi5材料，發現了其超導電性和旋轉對稱性破缺的電子向列相，表明該CTB籠目材料在超導、拓撲、電荷序等豐富的物性方面具有巨大的研究潛力，對超導配對機制、超導電性和旋轉對稱性破缺之間的關聯具有重要意義。
相關成果以“Superconductivity and nematic order in a new titanium-based kagome metal CsTi3Bi5 without charge density wave order” 為題發表于Nature Communications 15, 9626 (2024)。本工作受到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金項目和中國科學院的資助。
圖： CsTi3Bi5的晶體結構示意圖、超導電性研究、超導和正常態時的旋轉對稱性破缺
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