物理学院量子材料科学中心陈剑豪研究员课题组在笼目结构金属中发现三维隐藏序相变

　　

北京大学物理学院量子材料科学中心、北京量子信息科学研究院、北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室陈剑豪研究员课题组与北京大学物理学院量子材料科学中心谢心澄院士、北京理工大学物理学院姚裕贵教授，清华大学物理系熊启华教授，北京理工大学物理学院王秩伟教授和北京师范大学物理学系刘翌研究员等合作，在笼目结构金属CsV₃Sb₅中发现了三维隐藏序相变。2024年6月13日，相关研究成果以《通过面内磁输运测量探测笼目结构金属CsV₃Sb₅的三维隐藏序》（“Three-dimensional hidden phase probed by in-plane magnetotransport in kagome metal CsV₃Sb₅”）为题，发表在期刊《自然?通讯》（Nature Communications）上。

笼目结构拓扑金属AV₃Sb₅（A="Cs," Rb,K），因其非凡的电子结构，成为研究拓扑量子态和电子关联的宝贵材料平台。该体系展现出了丰富多样的量子态和非平庸的电子行为，包括拓扑表面态、具有配对密度波的超导态、电子向列相、电荷密度波、手性电输运、反常霍尔效应和时间反演对称性破缺等。复杂多样的物态引发了科学界的广泛关注，许多实验试图在该体系中寻找潜在的重要量子态，例如非常规超导电性、Majorana零能模和轨道电流序。以CsV₃Sb₅（CVS）为例，该体系中易被观测的两个相变是CDW相变（约90K）和超导相变（约2.5K）。有趣的是，越来越多的实验表明在这两个相变之间约35K处存在一个额外的相变。例如，缪子散射实验发现在大约35K以下CVS中具有明显的破坏了时间反演对称性信号，推测与二维的轨道电流序有关；扫描隧穿显微镜实验、核磁共振实验以及弹性电阻测量指出在约35K以下形成电子向列序；电输运测量实验发现在该温度以下存在明显的倍频信号。由于实验结果有限，关于这个隐藏序还有很多未知之处，包括破坏时间反演对称性的确切机制、隐藏序的空间对称性以及其基本的电输运特性。

陈剑豪课题组通过测量CsV₃Sb₅薄膜样品的面内磁电阻，发现面内磁电阻与磁场方向呈现出明显的各向异性，而且这种各向异性表现出显著的温度和磁场依赖性（见图1）。通过提取面内磁阻的旋转对称分量，发现其中二重对称性分量（C2）和六重对称性分量（C6）具有明确的物理机制。C2分量与CDW同时出现，并与电子向列相具有相同的对称性，表明C2分量与以上两者相关；在约35K以下，C6分量出现并且磁场可调，这与轨道电流序的图像吻合。另外, 在这个温度以下，无论是磁场垂直于电流还是平行于电流，面内磁电阻随磁场增加线性减小（即线性面内负磁阻）。种种实验数据表明在35K以下存在一个磁场可调的三维轨道电流序（见图2）。该项研究不仅为CVS中隐藏序的物理性质提供了完整的描述，同时为研究物质奇异量子态之间相互作用以及探测隐藏序提供范例。

图1 CsV₃Sb₅面内磁电阻各向异性的磁场和温度依赖。（a）面内磁阻测量示意图，其中电流沿着x方向，γ是磁场与y轴之间的角度。（b）零磁场下, CVS样品的电阻-温度曲线，温度范围：2K到300K。电阻-温度曲线在85K处的拐点对应着CDW相变，插图是2K到10K之间电阻-温度曲线的放大图，显示在4.3K发生超导转变。（c）（d）面内磁阻与γ的极坐标图。图c是温度为5K时的数据，磁场大小依次为1、2、4、6、8、12T；图d是磁场是9T时的数据，温度依次为5、15、25、35、45、50K

图2 CsV₃Sb₅相图与轨道电流序示意图。（a）总结了文献中报道的CVS相变（黑点）和本项研究中观测到的相变（红点）。（b） CVS中三维轨道电流序的示意图

北京量子信息科学研究院助理研究员魏鑫健和北京大学物理学院量子材料科学中心博士研究生田丛宽为共同第一作者，陈剑豪为通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。