作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/17 12:13:23
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“笼目结构超导体”研究取得重要进展
论文“加速预览”登《自然》,陈仙辉院士解读

 

近日,中国科学院院士、中国科学技术大学教授陈仙辉与吴涛、王震宇等组成的研究团队,在《自然》杂志报告了他们在“笼目结构超导体”研究领域取得的重要进展。《中国科学报》注意到,这篇论文是以“加速预览”方式在线发表在《自然》主刊的,显示了编辑部对论文发表的态度。

这项进展取得了怎样的突破?该进展对该领域相关研究有什么重要意义?当日,论文通讯作者陈仙辉接受《中国科学报》独家专访,对其中一些关键问题作了阐释。

同行高度评价:将激发对相关材料的研究

《中国科学报》:恭喜合作团队的成果在《自然》发表!我注意到贵团队的文章是以“加速预览”方式在线发表的,显示了这项成果的重要性。文章发表距离投稿用时多久?

陈仙辉:我们是2021年9月2日投稿,今年1月26日正式接收,2月9日(编者注:英国当地时间,下同)以“加速预览”方式在线发表,正式接收到在线发表的时间仅半个月,而通常为两个月左右。

《中国科学报》:你们对在这样的时间点上发表有预期吗?请简要介绍一下这项工作从取得突破到完成稿件、选择期刊、发表的过程。

陈仙辉:2019年,美国科学家率先在笼目结构材料CsV3Sb5中报道了超导电性,这一工作当时就引起了我们团队的注意。在经过科学研判后,我们团队在2020年开始对CsV3Sb5体系开展系列的研究工作,并在2021年上半年取得了系列前期研究成果。

在此基础上,实验团队继续瞄准超导与电荷密度波之间的反常竞争问题开展研究,在2021年6月份左右完成了本项工作的主要实验数据,经过一段时间的数据分析和反复重复实验结果,我们最终在9月2日完成稿件并投稿到《自然》杂志。

在投稿的第二天,文章就通过了编辑的初审,进入到正式的审稿过程。这期间又经历了三轮严格的审稿过程,最终我们的实验数据和分析得到了审稿人的认可并推荐发表,并被编辑推荐以“加速预览”的方式快速在线发表。

在《自然》2月9日上线的《News and Views》中,我们的工作和同期发表在《自然》的另外一篇工作获得了同行的高度评价,认为“这两项研究的结果清楚地为笼目结构超导体的对称性破缺带来了新的见解,这无疑将激发对这些有趣材料的进一步研究。

系高温超导理论的重大科学问题和研究热点

《中国科学报》:为什么要研究“笼目结构超导体”?请用通俗的语言简述一下这项成果及其背后的科学意义。

陈仙辉:“电子向列相”是一种由电子自由度旋转对称性的自发破缺而产生的电子有序态,其广泛存在于高温超导体、量子霍尔绝缘体等电子体系。电子向列相与高温超导电性之间存在着紧密的联系,被认为是一种与高温超导相关联的交织序,是高温超导理论研究中的重大科学问题和研究热点。

探索具有新结构的超导材料体系,从而进一步研究超导与各种交织序的关联,是当前领域的一个重要研究方向,其中备受关注的一类体系即为二维笼目结构。

由于其特殊的几何构型,具有二维笼目结构的材料能带中往往具有平带、范霍夫奇点和类似于石墨烯的狄拉克型色散,因而能够诱导产生一系列关联拓扑物态。特别是在范霍夫奇点掺杂附近,理论预测二维笼目体系可呈现出新奇的超导电性和丰富的电子有序态,还有可能获得拓扑非平庸的超导态,但长期以来缺乏合适的材料体系来实现相关的关联拓扑物态。

近年来,笼目超导体CsV3Sb5的发现为该方向的探索提供了新的研究体系。中科大超导研究团队在前期研究中已成功揭示了该体系中面内三重调制(triple-Q)的电荷密度波态并在超导磁通芯子内发现了马约拉纳零能模的存在迹象(Phys. Rev. X 11, 031026 (2021),以及电荷密度波与超导电性在压力下的反常竞争关系(Nat. Commun. 12, 3645 (2021))。

在这些基础上,研究团队充分结合了扫描隧道显微镜、核磁共振以及弹性电阻三种实验技术,针对CsV3Sb5中的电荷密度波态的演化进行了细致的研究。他们发现体系在进入超导态之前,三重调制电荷密度波态会进一步地演化为一种热力学稳定的电子向列相,并确定转变温度在35开尔文左右。

该电子向列相与之前在高温超导体中观测到的电子向列有所不同:高温超导体中的电子向列相是Ising类型的向列相,具有Z2对称性;而在笼目超导CsV3Sb5中发现的电子向列相具有Z3对称性,在理论上被three-state Potts模型所描述,因而也被称为“Potts”向列相。有趣的是,这种新型的电子向列相最近在双层转角石墨烯体系中也被观察到。

这些发现不仅在笼目结构超导体中揭示了一种新型的电子向列相,也为理解这类体系中超导与电荷密度波之间的竞争提供了实验证据。之前的扫描隧道谱研究表明,CsV3Sb5体系中可能存在超导电性与电荷密度波序相互交织而形成的配对密度波态(PDW)。在超导转变温度之上发现的电子向列序,可以被理解成一种与PDW相关的交织序,这一研究结果也为理解高温超导体中的PDW提供了重要的线索和思路。

如何理解笼目结构超导体中超导电性及其交织序的形成机制,还需要进一步的实验与理论研究。

《中国科学报》:这些是否也在合作团队未来的研究清单上?

陈仙辉:目前,我们团队还在继续研究笼目结构超导体中的非常规超导电性。事实上,在这个工作的基础上,我们又取得了一些有意义的实验结果和发现,这些发现将会进一步帮助我们理解笼目结构超导体中的超导机理以及相关的交织序。

 
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