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国科大苏刚团队提出新型钛基笼目超导家族材料

推动国内外理论实验取得系列重要进展

        笼目（kagome）晶格作为一种典型的二维结构，由对顶三角形构建而成。在该晶格系统中，电子能带会展现出平带、狄拉克锥、范霍夫奇点等物理上非常有趣的特性，其几何与电子结构能够引发拓扑、超导电性以及量子自旋液体等性质，正因为如此，近几十年来，它在国际与国内均受到了广泛且深入的研究。

        近两年，中国科学院大学苏刚团队在新型笼目超导材料的研究中不断探索，取得了一系列重要进展。2022年，团队通过理论计算预测了一大类具有新奇性质的新型钛基笼目超导材料（Phys. Rev. B 106, L220505 (2022)）。基于此，他们联合实验组在国际上首次成功合成该家族中的CsTi₃Bi₅并发现其独特的超导相和电子向列相（Nat. Commun. 15, 9626 (2024)）。之后，该团队与实验组探究了这一材料的电子结构和拓扑序特性（Nat. Commun. 14, 4089 (2023)）。此外，苏刚团队通过计算研究了CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅压力和掺杂下独特的超导和拓扑性质（Research 6, 0238 (2023)），并提出了CsTi₃Bi₅的兄弟家族材料Ti₆Bi₄（iScience 26, 105813 (2023)）。值得一提的是，该团队关于新型钛基笼目超导家族的一系列研究工作，推动国内外在相关理论和实验方面取得了众多重要进展（Phys. Rev. Lett. 131, 026701 (2023); Nat. Phys. 19, 1591 (2023); Nat. Phys. 19, 1827-1833 (2023); Nat. Phys. 19, 1757 (2023); Nat. Commun. 14, 4892 (2023); Nat. Commun. 14, 4089 (2023); Phys. Rev. B 107, 174510 (2023); Phys. Rev. Mater. 8, 024003 (2024); Z. Naturforsc. 77, 757-764 (2022); Chin. Phys. Lett. 40, 037102 (2023) 等）。

        具有笼目晶格的钒基非磁金属AV₃Sb₅（A=K、Rb、Cs）近年来引起了国际上广泛关注。国科大苏刚团队率先计算预测了24个动力学稳定的化合物（图1），其中14个化合物是转变温度T_c在0.3-5.0K之间的超导体。拓扑性质的计算分析发现包括最高T_c在内的KZr₃Pb₅等几种材料为Z₂拓扑金属，他们以NaZr₃As₅为例探索这类体系中可能存在的电荷密度波序。这一大类兼具超导电性和非平庸拓扑性质的笼目材料家族为实现拓扑超导体打开了一扇大门。该工作以Letter形式发表在Physical Review B（原文https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.L220505）。文章第一作者是中国科学院大学博士生易鑫伟，共同通讯作者为新加坡国立大学尤景阳博士和苏刚教授。

图1：计算预测的24个新型笼目金属材料

        随后，该团队通过计算全面研究了CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅的各种物理性质，发现掺杂下超导T_c有较大的提升，在压力下CsTi₃Bi₅的T_c展现出独特的谷和峰的形状（如图2），分析表明上升段源于结构上各向异性到各向同性压缩的转变。另外，低压下会涌现出很多新的拓扑表面态，进一步加压能有效调节拓扑表面态靠近费米能级。由于强的自旋轨道耦合作用，CsTi₃Bi₅展现出较大的自旋霍尔电导。该工作为CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅的实验研究提供了及时且重要的科学价值。该工作发表在Research（原文https://doi.org/10.34133/research.0238），第一作者是易鑫伟，共同通讯作者为尤景阳博士、中国科学院大学顾波副教授和苏刚教授。

图2：CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅在压力和掺杂下的拓扑和超导性质

        鉴于CsTi₃Bi₅的有趣性质，探索更多钛基笼目结构的新型拓扑超导材料十分必要。苏刚团队提出了一类新的兼具热力学和动力学稳定的钛基笼目材料家族Ti₆X₄（X=Bi、Sb、Pb、Tl、In）（见图3）。发现在费米能级附近具有自旋动量锁定的Z₂拓扑表面态，表明它们是理想的Z₂拓扑金属，基于BCS理论计算发现它们具有T_c为3.9-5.1K的超导基态，二者共存为实现拓扑超导体提供了可能平台。此外，发现在其能带结构中丰富的Dirac节点和节线及强的自旋轨道耦合作用，导致Ti₆X₄具有629ℏ⋅(e⋅Ω⋅cm)^-1的本征自旋霍尔电导，大的自旋霍尔电导为其应用于自旋电子学器件提供了巨大优势。该工作已发表在iScience（原文https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105813）上。文章的第一作者是易鑫伟，共同通讯作者为尤景阳博士、顾波副教授和苏刚教授。

图3：Ti₆X₄家族材料的结构及其拓扑和超导等性质

        苏刚团队与物理所周兴江团队开展合作，实验研究了CsTi₃Bi₅的电子结构。ARPES实验和理论计算联合表明，其能带结构具有多个独特的非平庸特征，包括贯穿整个布里渊区的平带、Z₂能带拓扑表面态以及多个II型和III型Dirac节线环和节线（图4）。该论文发表于Nature Communications（https://doi.org/10.1038/s41467-023-39620-0），论文共同第一作者是博士生杨鉴刚、易鑫伟、赵振和解于洋，共同通讯作者为苏刚教授、中国科学院物理所高鸿钧院士、赵林副研究员和周兴江研究员。

图4：CsTi₃Bi₅中的电子平带、Z₂拓扑表面态以及Dirac节线

        在此基础上，苏刚团队与物理所高鸿钧院士团队开展深度合作，于两年前实验上成功创制出该家族成员CsTi₃Bi₅单晶，这是国际上首次合成的钛基笼目超导材料。输运和磁化率测量表明，CsTi₃Bi₅在常压下超导T_c为4.8K，比CsV₃Sb₅高出一倍。利用扫描隧道显微镜/谱和Josephson扫描隧道谱，发现CsTi₃Bi₅单晶呈现两个不同的超导能隙，该能隙由六重晶体旋转对称性破缺到二重旋转对称性。在低能区，准粒子干涉条纹显示该体系存在向列有序的正常态，其方向与超导态的向列方向一致（图5）。该工作为笼目超导体中存在的内禀电子向列相提供了新的见解。该论文最近发表于Nature Communications（原文https://doi.org/10.1038/s41467-024-53870-6），共同第一作者是中国科学院物理所杨海涛研究员、博士生耶郁晗、赵振、刘家利和易鑫伟，共同通讯作者为中国科学院物理研究所陈辉副研究员、董晓莉研究员、苏刚教授、美国波士顿学院汪自强教授和高鸿钧院士。

图5：CsTi₃Bi₅的超导性质和向列序

        上述工作得到了中国科学院、科技部和国家自然科学基金委等的大力支持。