中国科大在笼目超导的电子向列相研究中取得重要进展

近日，中国科学技术大学物理学院、中科院强耦合量子材料物理重点实验室陈仙辉院士、王震宇教授等人在笼目超导的电子向列相研究中取得重要进展。利用谱学成像-扫描隧道显微技术，研究团队在笼目超导体Cs(V, Ti)3Sb5中成功获得了向列相中电子结构的微观信息，观察到了电-声子耦合所导致的单向电子自能修正，并发现电子向列相与超导态之间存在竞争关系。这些发现不仅为理解笼目超导体的演生物理提供了重要的实验线索，也为研究实际晶格体系中电子的关联效应提供了新的方向。相关研究成果于5月11日以“Unidirectional electron–phonon coupling in the nematic state of a kagome superconductor”为题发表在《Nature Physics》杂志。

电子向列相是由电子波函数旋转对称性自发破缺而产生的有序态，广泛存在于铜基/铁基高温超导体、量子霍尔绝缘体以及双层转角石墨烯等体系中。研究电子向列相中电子的集体组织原则以及它对其它电子序的影响是凝聚态物理的重要研究课题之一。近几年，笼目超导体AV3Sb5(A = K, Rb, Cs)的发现为研究三角格子中的电子态对称破缺提供了一个重要平台。在笼目超导CsV3Sb5体系的前期研究中，中科大陈仙辉院士团队成功揭示了面内三重调制的电荷密度波态（Phys. Rev. X11, 031026 (2021)），观察到并阐明了压力下电荷密度波的演化及其与超导态的反常竞争关系（Nat. Commun.12, 3645 (2021)；Nature 611, 682-687 (2022)），同时发现该电荷密度波在低温下可以演化出一类新奇的电子向列相（Nature604, 59–64 (2022)）。由于电子向列相一般对局域晶格畸变和无序非常敏感，容易形成畴界，使得其微观特征很难被常规手段探测到。

陈仙辉院士团队王震宇教授等人利用准粒子相干散射成像技术对钛掺杂的笼目超导体Cs(V, Ti)3Sb5中的电子向列相和超导态进行了系统的研究。该技术利用对电子（准粒子）波函数相干散射的测量从而获得单畴内的微观电子结构。实验结果表明，在进入电子向列相后，笼目晶格所对应的电子能带出现了明显的旋转对称破缺。对电子色散和准粒子寿命的全面分析发现，电-声子耦合效应会导致笼目晶格能带上出现单向的电子自能修正，从而使得电子色散和电子低能动力学出现强烈的二度对称特征。

相干散射测量结果还能反映电子波函数的相干信息。研究团队发现，在电子向列相温度以上，笼目晶格能带所对应的干涉图样迅速消失，电子波函数相干性明显变差。这说明在该体系中，电子向列相是电子关联效应和声子共同作用所形成的电子相干态。当相干温度升高时，超导转变温度明显下降，表明这两个电子有序态之间存在着竞争关系。对超导态准粒子的进一步系统研究发现，当电子向列相和电荷密度波序随着掺杂消失时，笼目晶格能带将贡献主要的超导能隙，支持了二者之间的相互竞争。

图1. 笼目超导中的准粒子相干散射图像与笼目能带上的单向电声子耦合

上述结果揭示了笼目超导体向列相中电子结构的微观特征以及它和超导态的竞争关系，为理解该体系中多种电子有序态的起源与相互影响提供了重要的实验线索，也为探索更多体系中电子关联和声子自由度的协同作用提供了一个新的研究方向。