近日，浙江大學(xué)物理學(xué)院曹光旱研究組聯(lián)合中國科學(xué)院物理研究所程金光、周睿等多個研究組在籠目晶格材料研究中取得了重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次合成、表征了新型鉻基籠目晶格反鐵磁體CsCr3Sb5，并通過壓力調(diào)控，在磁有序消失的臨界點(diǎn)附近觀察到超導(dǎo)電性。該結(jié)果為進(jìn)一步探尋籠目晶格中的新穎量子態(tài)、理解非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理提供了嶄新的研究平臺。相關(guān)成果以“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”為題發(fā)表在《Nature》期刊上。超導(dǎo)研究百余年來長盛不衰。早年發(fā)現(xiàn)，很多非磁元素金屬及合金都是超導(dǎo)體（當(dāng)代被稱為常規(guī)超導(dǎo)體）。常規(guī)超導(dǎo)來源于電-聲子耦合：超導(dǎo)體中傳導(dǎo)電子借助晶格振動產(chǎn)生有效吸引，發(fā)生兩兩配對；配對電子（又稱“庫伯對”）同時發(fā)生相干、凝聚，形成一種宏觀量子態(tài)—超導(dǎo)態(tài)。由于磁性元素往往拆散庫伯對，因而磁性元素及其合金一般不會產(chǎn)生超導(dǎo)電性。上世紀(jì)70年代末至80年代，超導(dǎo)研究進(jìn)入新的階段。人們在包含有稀土磁性元素的“重費(fèi)米子”化合物體系中觀察到超導(dǎo)電性。一些含有Cu2+自旋的層狀氧化物竟然具有比常規(guī)超導(dǎo)體高得多的超導(dǎo)臨界溫度（Tc），因之被稱為“高溫超導(dǎo)體”。2008年，人們又在含磁性鐵元素的層狀材料中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)電性。這些新發(fā)現(xiàn)的“非常規(guī)超導(dǎo)體”中的傳導(dǎo)電子是如何配對、凝聚從而產(chǎn)生超導(dǎo)電性的？這是當(dāng)今凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大研究課題。目前，已發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)超導(dǎo)體系很有限（相比之下，常規(guī)超導(dǎo)體則數(shù)以千計）。探索并研究全新的、具有代表性的非常規(guī)超導(dǎo)材料體系對于解決非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理的重要性不言而喻。
理論預(yù)言在磁性三角（或六角）晶格體系中有可能實(shí)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)電性?；\目晶格是一種特殊的六角晶格。它一般具有幾何阻挫、拓?fù)淠軒б约傲孔痈缮嫘?yīng)等特征，近年來備受研究者關(guān)注。2019年釩基籠目晶格材料AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的新一輪研究熱潮。該材料展現(xiàn)出超導(dǎo)電性、“非常規(guī)”電荷密度波、“反?！被魻栃?yīng)、配對密度波、電子向列序和時間反演對稱性破缺等令人眼花繚亂的呈展現(xiàn)象。然而，該體系的電子關(guān)聯(lián)性較弱，其中的釩元素沒有磁性。一般認(rèn)為，其超導(dǎo)電性仍然是來源于常規(guī)的電-聲子配對機(jī)制。
曹光旱研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)摸索，通過大幅改變助溶劑配比，成功生長出鉻基籠目結(jié)構(gòu)CsCr3Sb5單晶。樣品的電阻、磁化率、比熱以及核磁共振等測量分析表明該新材料是一種強(qiáng)關(guān)聯(lián)“壞金屬”（類似于鐵基超導(dǎo)體母體材料），具有自旋密度波（一種磁有序）轉(zhuǎn)變，這些與上述釩基籠目體系顯著不同。第一性原理計算表明，CsCr3Sb5的費(fèi)米能很靠近量子干涉相消導(dǎo)致的平帶，而釩基體系中的費(fèi)米能則位于范霍夫奇點(diǎn)附近。
圖1 竹筐中的籠目圖案(a)、鉻基籠目材料的晶體照片(b)、CsCr3Sb5中的二維籠目晶格(c)以及鉻基和釩基材料電子結(jié)構(gòu)的比較(d)。
非常規(guī)超導(dǎo)體一般都具有與磁性相聯(lián)系的普適電子相圖。通過調(diào)節(jié)控制參量（化學(xué)摻雜、壓力、電場等），磁有序可被逐漸壓制，隨之出現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)電性。本工作揭示出鉻基籠目晶格體系也具有類似的電子相圖：通過施加壓力，磁有序或密度波序被逐漸抑制，直至出現(xiàn)超導(dǎo)電性。值得一提的是，最高Tc (6.4 K)出現(xiàn)在磁有序消失的壓力點(diǎn)（亦被稱為量子臨界點(diǎn)，QCP）附近，此時的上臨界磁場超過泡利順磁極限。同時，高溫正常態(tài)顯示出非費(fèi)米液體（或者叫做奇異金屬）行為。此外，非常規(guī)超導(dǎo)體的另一顯著特征是它的Tc/TF值（TF為費(fèi)米溫度）往往遠(yuǎn)高于常規(guī)超導(dǎo)體。的確，新發(fā)現(xiàn)的鉻基籠目超導(dǎo)體CsCr3Sb5的Tc/TF估算值與典型非常規(guī)超導(dǎo)體相當(dāng)?？傊?，該強(qiáng)關(guān)聯(lián)磁性籠目體系展現(xiàn)出非常規(guī)超導(dǎo)體的許多共性特征，對它的深入研究將有助于解決非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理問題。
圖2 (a) 非常規(guī)超導(dǎo)體的普適電子相圖示意圖；(b) 鉻基籠目超導(dǎo)體CsCr3Sb5的電子相圖
圖3 常規(guī)超導(dǎo)體與非常規(guī)超導(dǎo)體按照超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc及費(fèi)米溫度TF的分布。鉻基籠目超導(dǎo)體CsCr3Sb5的Tc/TF值與典型非常規(guī)超導(dǎo)體相當(dāng)
浙江大學(xué)/浙江工業(yè)大學(xué)劉藝博士、中國科學(xué)院物理研究所劉子儀副研究員、杭州師范大學(xué)/上海大學(xué)鮑金科副教授為論文的共同第一作者，中國科學(xué)院物理研究所周睿特聘研究員、程金光研究員以及浙江大學(xué)曹光旱教授為共同通訊作者。合作者還包括浙江大學(xué)研究生吉良雯、武思祺、柴萬力、盧佳依、劉長超同學(xué)以及劉繼永實(shí)驗(yàn)師、陶前博士、曹超教授、許祝安教授等，中國科學(xué)院物理研究所研究生申沁鑫同學(xué)、楊芃燾副主任工程師、羅軍副研究員、楊杰副研究員、王鉑森副研究員等，浙江工業(yè)大學(xué)許曉峰教授，西湖大學(xué)研究生楊武璋同學(xué)和任之研究員，湘潭大學(xué)蔣好博士，以及杭州師范大學(xué)徐陳超博士等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院先導(dǎo)B專項(xiàng)和青年創(chuàng)新促進(jìn)會項(xiàng)目的支持。論文中的高場核磁共振實(shí)驗(yàn)和高壓物性測量是在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施-綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置（SECUF）上完成的。
