层状超导体csv₃sb₅ 的物性调控取得进展-凯发k8旗舰厅注册登录

　　具有钒 kagome 格子的层状化合物 av₃sb₅ (a = k、rb 和 cs)包含着丰富的物理现象，如拓扑非平庸的电子结构、超导和电荷密度波(cdw)转变等，引起了研究人员的广泛关注。常压下，av₃sb₅在78-103 k发生cdw转变(q₁=2a₀×2a₀和q₂=4a₀)，引起了时间反演对称性破缺，这可能是其中巨大反常霍尔效应的起因之一；体相样品的超导临界温度(t_c)为0.93-2.5 k。通过高压原位研究，研究人员发现csv₃sb₅在低压区(0-2 gpa)，cdw被逐渐抑制，t_c出现非单调变化的“m” 型相图，并逐渐消失[nature commun. 12, 3645 (2021); phys. rev. lett. 126, 247001 (2021)]。但当压力升高到15 gpa时，csv₃sb₅发生超导再进入现象，并且超导可稳定至100 gpa [highly robust reentrant superconductivity in csv₃sb₅ under pressure, chin. phys. lett. express letter 38, 057402 (2021)]。

　　从能带结构上来看，csv₃sb₅ 的费米能级位于两个范霍夫奇点(vhs)附近，通过电荷掺杂可以调控费米能级的位置和态密度的大小，有效提高csv₃sb₅ 的t_c。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室a02组的博士后宋艳鹏、应天平特聘研究员、郭建刚研究员和陈小龙研究员，与德国马克斯-普朗克固体研究所的吴贤新博士和andreas p. schnyder教授等人合作，首次在csv₃sb₅中实现了空穴型的载流子掺杂和t_c的有效调控。由于csv₃sb₅的层间作用力较弱，项目组利用机械剥离的方式获得了不同厚度的csv₃sb₅样品(12-370 nm)，通过控制cs原子的氧化程度，实现了不同浓度的空穴掺杂，获得了t_c随掺杂量变化的dome状超导相图。其中，最高t_c为5 k，cdw与超导表现为相互竞争的关系，见图1。同时，项目组对csv₃sb₅的薄层样品进行了原位栅压调控，发现其t_c随正向栅压的升高而降低，证明样品确实属于空穴型掺杂，这也是首次在csv₃sb₅上进行的原位栅压调控实验。密度泛函理论计算表明了费米面附近的两个范霍夫奇点中的一个(vhs1)和态密度对空穴掺杂变化极其敏感，定性地了解释t_c的变化，见图2。本工作为研究和理解av₃sb₅中超导、cdw和拓扑三者之间的相互关系提供了新的调控途径，相关成果以“competition of superconductivity and charge density wave in selective oxidized csv₃sb₅ thin flakes”为题发表于physical review letters [phys. rev. lett. 127, 237001 (2021)]。

　　以上工作得到了中国科学院、国家重点研发计划、国家自然科学基金委和北京市自然科学基金等的支持。

图1. csv₃sb₅薄层样品的低温输运特性。

图2. 空穴掺杂 csv₃sb₅ 的能带结构、态密度 (dos) 和相图。