精準(zhǔn)調(diào)控關(guān)聯(lián)量子材料的演生量子物態(tài)是凝聚態(tài)物理的前沿,對(duì)于實(shí)現(xiàn)原子級(jí)新型量子器件具有重要意義。近年來(lái),包括AV₃Sb₅在內(nèi)的籠目晶格單晶材料展現(xiàn)出狄拉克點(diǎn)、范霍夫奇點(diǎn)和平帶等奇特能帶結(jié)構(gòu)特征,為探索演生量子態(tài)及其相互作用提供了新的材料平臺(tái)。既往研究發(fā)現(xiàn),AV₃Sb₅(A=K,Rb,Cs)中的非常規(guī)電荷密度波(CDW)表現(xiàn)出時(shí)間反演對(duì)稱性破缺與手性特征,與超導(dǎo)態(tài)存在反常競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,可誘導(dǎo)電子液晶態(tài)等多種新奇量子態(tài)。然而,在原子尺度上調(diào)控籠目晶格材料的新奇物性極具挑戰(zhàn)性,國(guó)際上未有報(bào)道。

近期,中國(guó)科學(xué)院院士、物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員高鴻鈞帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì),探究了籠目金屬CsV₃Sb₅表面的演生量子態(tài)。該研究利用極低溫-強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡/譜與原子操縱技術(shù),人工構(gòu)筑了與表面2×2CDW具有相同周期的堿金屬銫(Cs)有序結(jié)構(gòu),調(diào)控了演生準(zhǔn)二維超導(dǎo)態(tài)和配對(duì)密度波。

該研究取得如下成果。一是準(zhǔn)二維超導(dǎo)態(tài)與配對(duì)密度波。研究在Cs表面2×2有序結(jié)構(gòu)上觀測(cè)到演生準(zhǔn)二維超導(dǎo)能隙與CDW能隙束縛態(tài),準(zhǔn)二維超導(dǎo)態(tài)的臨界溫度約為5.4K,在低于臨界磁場(chǎng)條件下產(chǎn)生磁通渦旋陣列與渦旋束縛態(tài);在對(duì)應(yīng)準(zhǔn)二維超導(dǎo)相干峰能量范圍內(nèi),研究觀測(cè)到調(diào)制周期為4a₀×4a₀的準(zhǔn)二維超導(dǎo)配對(duì)密度波。二是量子尺寸效應(yīng)。研究在表面原位構(gòu)筑特定構(gòu)型的2×2人工Cs納米島,發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)二維超導(dǎo)能隙及CDW能隙束縛態(tài)隨納米島尺寸增長(zhǎng)的演化規(guī)律,臨界尺寸對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)二維超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度約為6nm。 三是CDW相位調(diào)控的關(guān)鍵作用。研究原位構(gòu)筑4種不同相位的人工納米島,結(jié)合第一性原理計(jì)算,發(fā)現(xiàn)三維2×2×2CDW的“反相位”界面是演生準(zhǔn)二維超導(dǎo)態(tài)的關(guān)鍵因素。

上述研究提出通過(guò)可控構(gòu)筑人工堿金屬有序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)籠目金屬中新奇演生超導(dǎo)態(tài)原子級(jí)精準(zhǔn)調(diào)控的新思路,對(duì)量子材料的原子尺度構(gòu)筑、新奇多體物態(tài)的演生和操控以及構(gòu)建基于新奇量子態(tài)的原子級(jí)量子器件研究具有重要意義。

相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。

論文鏈接

在籠目金屬CsV₃Sb₅表面上原子級(jí)精準(zhǔn)構(gòu)筑的堿金屬Cs人工量子結(jié)構(gòu)、演生準(zhǔn)二維超導(dǎo)態(tài)和配對(duì)密度波