浙大探索高压下笼目晶格的奇异超导现象！

【研究背景】

笼目晶格材料是一类具有二维笼目结构的材料，因其独特的几何结构和潜在的特殊电子行为而成为了研究热点。理论上，这类材料可能展现出非常规超导性和丰富的量子态。然而，尽管钒基笼目材料（如AV3Sb5，A=K, Rb, Cs）已被发现具有超导性和电荷密度波有序性，但这些材料往往是非磁性的且电子关联较弱，因此难以实现理论预期的奇异超导性。更具挑战性的是，如何在高度关联的笼目系统中实现超导性仍然是一个未解的难题。

为了解决这一问题，浙江大学物理学院曹光旱研究组联合中国科学院物理研究所程金光、周睿等研究组携手转向了具有强电子关联和磁性的铬基笼目材料。铬基笼目金属CsCr3Sb5被发现是一个新型的候选材料，具有强电子关联和磁性挫败的特性。在常压下，CsCr3Sb5表现出一种结构和磁性的相变，在55 K时出现条纹状的4a0结构调制。

在高压条件下，这种材料的相变演变为两个不同的过渡，可能与电荷密度波和反铁磁自旋密度波有序性相关。随着压力的增加，这些密度波状有序性逐渐被抑制，并在3.65–8.0 GPa的压力范围内出现了超导圆顶。特别是在4.2 GPa时，超导转变温度达到最高值6.4 K，同时正常态表现出非费米液体行为，类似于铁基超导体中的非常规超导性和量子临界现象。

【表征解读】

本文通过多种表征手段对CsCr₃Sb₅这一基于铬的Kagome金属进行了深入研究，揭示了其强电子关联、受挫磁性及费米能级附近的特征平带。这些表征手段包括X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、磁性测量和电输运测量等方法，揭示了CsCr₃Sb₅在55K时发生了同时的结构和磁相变，伴随着条纹状的4a₀结构调制。这一相变过程的揭示为进一步理解该Kagome系统中的超导行为奠定了基础。

针对该材料在不同压力下的表现，本文通过高压电输运测量和磁性测量，发现了在高压下相变从一个转变演变为两个转变，可能分别与电荷密度波（CDW）和反铁磁自旋密度波（SDW）序有关。通过系统的微观机理表征，得到了这些密度波样序随着压力逐渐被抑制的现象，进而挖掘了这些序的消失与超导性出现之间的关联性。这一发现为理解压力诱导下的超导性机制提供了重要的线索。

在此基础上，本文通过高压下的电输运和磁性测量等多种表征手段，重点研究了3.65至8.0 GPa范围内超导穹顶的形成，发现最大超导转变温度Tcmax = 6.4 K出现在4.2 GPa处。这一压力点正是密度波样序完全被抑制的点，且此时正常态表现出非费米液体行为，提示了与非常规超导性和量子临界现象的潜在关联。这一结果表明，CsCr₃Sb₅这一材料在压力调控下的超导行为与铁基超导体中的非常规超导性具有类似的物理特征，揭示了Kagome系统中的潜在新奇物理现象。

总之，经过电输运、高压测量、磁性测量和结构表征等手段的综合分析，本文深入研究了CsCr₃Sb₅中的超导机制，进而揭示了密度波样序与超导性之间的竞争与相互作用。这一研究不仅为Kagome系统中的关联电子行为提供了新的理解，还为未来设计具有奇异超导性质的新材料提供了理论依据和实验支持，最终推动了非常规超导性领域的进步。

【图文速递】

图1：  CsCr3Sb5的晶体结构和物理性质。

图2. CsCr3Sb5中的结构调制。

图3. CsCr3Sb5中密度波序产生的超导性。

图4. 通过DFT计算CsCr3Sb5的电子结构。

【科学启迪】

本文的发现揭示了在高度关联的笼目系统中实现超导性的潜力，为我们理解非常规超导机制提供了重要线索。首先，铬基笼目金属CsCr3Sb5的研究展示了强电子关联和磁性挫败如何影响超导性。在常压下，该材料经历了结构和磁性的相变，这一过程揭示了笼目晶格的几何特性如何影响电子行为。特别是在高压条件下，CsCr3Sb5的密度波状有序性逐渐被抑制，超导电性在3.65–8.0 GPa的压力范围内显著增强，并在4.2 GPa处达到最大值，这表明超导性与磁性和密度波有序性的相互作用密切相关。

这一发现不仅证实了在高电子关联系统中实现超导性的理论预期，还提供了研究关联笼目系统中超导性的新平台。CsCr3Sb5的超导转变温度和非费米液体行为进一步支持了其在非常规超导体中的独特地位，类似于铁基超导体中的量子临界现象。这一研究不仅拓宽了超导体的研究范围，也为未来探索更多具有特殊电子行为的材料提供了新方向。

参考文献：Liu, Y., Liu, ZY., Bao, JK. et al. Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal. Nature 632, 1032–1037 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07761-x