编辑推荐：
本文发现新型戈薇材料 Ce2Ru3Si 存在密度波样转变，为研究相关机制提供新平台。
引言
戈薇（kagome）晶格由交织的三角形和六边形构成，天生存在几何阻挫。这种特殊结构使理想戈薇晶格的能带结构出现狄拉克点、范霍夫奇点（vHS）和平带。其中，vHS 和平带具有较高的态密度（DOS）和大有效质量，可能引发强电子关联，在带电粒子强相互作用下，会诱导费米面不稳定，产生超导、电荷密度波（CDW）等量子现象；而狄拉克点则可能导致各种拓扑态。因此，戈薇结构体系为研究磁性、电子关联、超导和拓扑之间的相互作用提供了丰富的研究对象。
近年来，基于戈薇晶格的新原型结构 A V3Sb5（A = K、Cs、Rb）被发现，引发了对超导、CDW 等多种相之间相互作用和竞争的广泛研究。通过元素替代，还发现了如 CsCr3Sb5等新的戈薇材料，展现出强电子关联等特性。此外，在反铁磁有序的戈薇相 FeGe 中也发现了 CDW。
与 V、Cr、Fe 等 3d 元素不同，Ru 具有 4d 电子，电子关联相对较弱但常表现出磁性，可能带来新的现象。例如，LaRu3Si2在同类化合物中具有较高的超导转变温度，La (Ru1 - xFex)3Si2中发现了室温以上的电荷有序现象，含 Ru - 戈薇平面的超导体 CeRu2中，超导与磁性紧密相关，且 Ce 的 4f 电子会与传导电子杂化，产生重费米子等现象。
Laves 相有三种主要结构类型，传统 Laves 相为二元化合物，通式为 AB2。当用非金属元素 Si 替代非戈薇过渡金属元素时，会生成三元 Laves 相，如 Sc2Ir4 - xSix、Mg2Ni3Si 和超导体 Mg2Ir3Si 等。在本研究中，合成了一种新的 Ru 基戈薇材料 Ce2Ru3Si，其在电输运测量中发现了类似电荷密度波转变的肩状行为，比热测量也证实了这一发现，同时对其电子结构等进行了深入研究。
结果
基本物理性质
Ce2Ru3Si 晶体具有六方对称性（空间群：R3m），由 Ru 的戈薇平面和 Ce/Si 的菱面体平面沿 c 轴规则堆叠而成，与 Mg2Ni3Si 结构相同。通过粉末 X 射线衍射（PXRD）及 Rietveld 精修，得到了良好的拟合结果，晶格参数 a = c = 5.6125 (4) ?，c = 11.4609 (5) ? ，表明样品质量良好且纯度较高。
在基本物理性质方面，Ce2Ru3Si 的电阻率随温度变化曲线在 150 K 左右出现宽肩状行为，通过微分电阻率最小值确定其转变温度为 137 K，这种现象可能源于密度波转变，但具体机制还需进一步研究。除该异常外，样品在整个温度范围内表现出金属性，磁电阻可忽略不计。磁性测量显示，样品在整个温度区域呈现居里 - 外斯（Curie - Weiss）型顺磁特征，有效磁矩较小，表明 Ce 的 4f 电子存在离域化。
通过比热测量及拟合，得到 Sommerfeld 常数 γn = 44.1744 mJ mol-1 K-2，Debye 温度 θD = 218.6 K，电子比热系数相对较大。计算得到的 Wilson 比 RW≈2.82，大于 2，意味着样品具有较强的电子关联。通过特定模型拟合比热数据，发现实验数据与拟合曲线在 66 - 171 K 存在偏差，该偏差曲线的峰值与电阻率曲线的异常出现在相同温度区域，进一步证实了密度波样转变的存在，且该转变在 171 K 开始，66 K 结束。
化学掺杂
为深入研究该转变，对 Ce 和 Ru 位点进行化学掺杂。在 Ce 位点用 La 替代（(Ce2 - xLax)Ru3Si），当 x = 0.2 时，转变稍有抑制；当 x = 0.4 时，晶体结构转变为立方 C15 型 Laves 相，并出现杂质峰。
对 Ru 位点进行 Ir 掺杂（Ce2(Ru3 - xIrx) Si），当 Ir 掺杂浓度 x = 0.1 时，转变温度从 137 K 降至约 60 K；x = 0.2 时，密度波样转变完全消失，但未观察到超导现象。进一步增加掺杂浓度，输运特性主要表现为费米液体行为。
对 Ru 位点进行 Mo 掺杂，Mo 替代也抑制了转变，但效果比 Ir 弱。低掺杂时，样品在低温下电阻率下降，这可能是由于形成了相干重费米子基态，而非超导。当掺杂水平为 20% 时，Mo 掺杂样品仍有轻微的密度波转变，转变温度降至约 65 K。构建的转变温度与 Ir、Mo 掺杂水平的相图显示，Ir 掺杂时转变温度单调下降，Mo 掺杂在高掺杂时转变温度趋于平稳。
理论计算
通过平面波密度泛函理论（DFT）计算研究 Ce2Ru3Si 的电子结构，考虑到 Ce 的存在，计算中包含自旋轨道耦合。能带图和态密度显示，Ce 的 4f 电子形成的平带远离费米能级，对传导有贡献但不产生重费米子行为。Ru 的 4d 电子形成的多个能带穿过费米能级，呈现多带特征。由于 Ru 的戈薇结构，能带图中出现鞍点和墨西哥帽形能带，在能带边缘产生 vHS，表明存在强电子关联，这与样品较大的 Wilson 比一致。
对 Ir 和 Mo 掺杂样品的能带结构计算表明，Ir 掺杂时墨西哥帽形能带消失更快，Mo 掺杂在较高掺杂水平时才消失，这与电阻中密度波样转变的演化趋势一致，说明电子关联对转变形成有贡献。
计算的费米面和声子色散显示，围绕 Γ 点的 α 和 β 口袋存在不完美的费米面嵌套特征，在 Γ 和 T 点存在负声子，表明发生了电子 - 声子耦合诱导的不稳定性，形成了密度波调制。综合来看，密度波样转变很可能是费米面嵌套、电子 - 声子耦合以及电子关联共同作用的结果，但这三种效应的相对强度还需进一步实验确定。
讨论
合成的新化合物 Ce2Ru3Si 具有 Ru 的戈薇结构。电输运中观察到的宽肩状异常可能是密度波样转变，比热测量进一步证实了这一点，而磁化测量未发现明显相变迹象，排除了自旋密度波的可能，该转变很可能与电荷密度波有关。根据磁化和低温比热分析得到的 Wilson 比为 2.82，表明体系中电子存在适度关联。DFT 计算的电子结构显示，化学掺杂样品中墨西哥帽形能带的变化与电阻率异常趋势一致，结合费米面嵌套和负声子不稳定性，推断密度波样转变的潜在机制是费米面嵌套和电子 - 声子耦合，电子关联也可能有贡献。该研究为研究密度波相变与戈薇结构之间的相互作用提供了新平台。
方法
样品合成
采用电弧熔炼法合成多晶样品 Ce2Ru3Si，按化学计量比称取 Ce 片（纯度 99.9%）、Ru 粉（纯度 99.9%）和 Si 粉（纯度 99.99%），研磨成粉末后压制成片，多次电弧熔炼保证均匀性，随后包裹在 Ta 片中，密封在真空石英管中，900°C 退火 30 h 以上。为确保电阻率测量准确，测量前将样品切割成规则条状。含 Ir 或 Mo 的掺杂样品制备方法相同。
基本实验
使用 Bruker D8 Advanced 衍射仪在室温下收集 PXRD 图案，利用 TOPAS version 4.2 软件进行 Rietveld 精修拟合。电输运和热输运测量在物理性质测量系统（PPMS - 9 T，Quantum Design）上通过典型四探针法进行，施加磁场垂直于地面。磁性测量使用超导量子干涉仪振动样品模式（SQUID - VSM 7 T，Quantum Design）。
电子计算
利用 Vienna Ab initio Simulation Package 中的平面波 DFT 和投影增强波方法计算 Ce2Ru3Si 的电子结构。在电子结构的自洽计算中采用 Perdew - Burke - Ernzerhof 形式的广义梯度近似。设置 7×7×7 的 k 点网格，截断能为 400 eV，晶格常数取自 TOPAS version 4.2 软件对实验结构的精修结果。使用密度泛函微扰理论计算声子谱，并通过 Phononpy 软件进行分析。
资源可用性
如需进一步信息和资源，可联系主要联系人 Hai - Hu Wen（hhwen@nju.edu.cn）。研究中产生的材料请求也应向主要联系人提出。本文报告的所有数据在请求时将由主要联系人提供，文章未报告原始代码，重新分析数据所需的任何额外信息可向主要联系人索取。
致谢
该研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFA1403201）、国家自然科学基金（12061131001、11927809、52072170、52472276）、中央高校基本科研业务费（2024300350）和中国科学院战略性先导科技专项（B 类）（XDB25000000）的支持。
作者贡献
J.W. 进行调查研究；Y.L. 进行比热测量；S.F. 进行理论计算；H.-h.W.、X.Z. 和 J.W. 撰写、审核和编辑文章。所有作者参与分析并同意发表数据。
利益声明
作者声明无利益冲突。
