成功合成！浙大关于笼目晶格材料的最新研究登上《自然》

大约40年前，非常规超导体开启了凝聚态物理新的研究篇章；大约10年前，笼目结构模型引发了盛大的“笼目量子派对”。今天，这两者在浙江大学的实验室里擦出了闪亮的“火花”：

浙江大学物理学院曹光旱研究组联合中国科学院物理研究所程金光、周睿等研究组在笼目晶格材料研究中取得了重要突破，他们成功合成了新型铬基笼目晶格反铁磁体，并且通过压力调控，在磁性边缘实现了超导电性，其表现十分类似于非常规超导体。这项研究为进一步探寻笼目晶格中的新颖量子态、理解非常规超导机理提供了崭新的研究平台。相关成果以*“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”为题发表在Nature*杂志上。

笼目晶格

——一个神奇的“摇篮”

传统竹编制品中有一种常见的图案，共用顶点的正三角形彼此相连，形成“笼目”花样。这种结构近年来深受科学家的青睐。理论预言，原子排列具有“笼目”晶格结构的材料有可能产生特殊的电子行为和磁学性质。因此，他们把具有这种晶体结构的材料称为笼目材料。

图：竹筐中的笼目图案

近十余年来，笼目结构材料就像一个神奇的“摇篮”，已孕育出许多新颖的量子态和物理效应。特别是2019年钒基笼目晶格材料的发现，引发了凝聚态物理学领域的新一轮研究热潮。这类材料展现出超导电性、“非常规”电荷密度波、"f反常”霍尔效应、配对密度波、电子向列序和时间反演对称性破缺等令人目不暇接的新奇物态和现象。

“我们一直想在笼目这一新兴体系中实现非常规超导。”曹光旱教授说，当前，常规超导的形成机理已有成熟的理论；而对于高温超导等非常规超导体，人们对其机理还缺乏共识。已有的非常规超导 “品种”还不够丰富，发现非常规超导体对于基础科学和应用研究上来说都具有重要价值。“钒基笼目材料的超导电性的来源仍可用常规超导机理来解释。”

曹光旱说，按照经验，非常规超导往往出现在磁性边缘，因此磁性的引入对实现非常规超导具有积极的作用。然而磁性也不能太强，否则超导将完全被磁性抑制。“考虑到铬元素在化合物中往往带有磁性，我们认为完全由铬替代的新化合物可能存在局域磁矩，再加上笼目晶格的几何阻挫特性，这样有可能通过抑制磁性，产生非常规超导。”

图：铬基笼目材料的晶体照片和晶体结构

经过长期实验摸索，研究团队通过大幅改变助溶剂配比，成功生长出铬基单晶。在材料制备实验室，刘艺博士苦苦寻找着具有笼目结构的铬基单晶。“通常5克原材料才能得到不足5毫克的样品。”刘艺说，“由于目标产物是个亚稳相，实际生长出来的产物大都是热力学稳定相，因此产率仅约为千分之一。单晶的尺寸也基本在0.5mm以内，与笔尖的粗细相当。”

关联、磁性、量子临界

和超导电性

图：二维笼目晶格中的磁性、量子临界以及超导电性示意图（a）；铬基和钒基“135”材料的电子结构的比较（b）。

在“千里挑一”的铬基笼目结构晶格中，三个铬原子构成一个正三角形，成为一个“目”。实验人员通过对“千里挑一”的单晶进行电阻、磁化率、比热以及核磁共振等测量，发现该新材料不同于钒基笼目体系。刘艺介绍，单晶是一种强关联“坏金属”，具有独特的自旋密度波。第一性原理计算表明，的费米能非常靠近量子干涉相消导致的平带，这可能是产生强关联效应的根本原因。

最激动人心的是测试的超导电性。在国家重大科技基础设施——坐落在北京怀柔科学城的综合极端条件实验室里，研究人员通过施加压力，磁有序或密度波序被抑制，直至出现超导电性。据介绍，大多数非常规超导体系具有与磁性相联系的普适电子相图。通过调节控制参量（化学掺杂、压力、电场等），磁有序可被逐渐压制，随之出现非常规超导电性。“我们的工作揭示出铬基笼目晶格体系也具有与典型非常规超导体相似的电子相图。”曹光旱说。

值得一提的是，体系的最高超导转变温度（6.4 K）出现在磁有序消失的压力点（亦被称为量子临界点，QCP）附近，此时的上临界磁场超过泡利顺磁极限。同时，高温正常态显示出非费米液体（或者叫做奇异金属）行为。

图：曹光旱教授（右）与刘艺博士在实验室讨论

曹光旱说，是一类新的笼目材料体系，具有与笼目晶格相关的平带和几何阻挫等特性，其压力诱导的超导电性展现出非常规超导体的许多共性，对它的深入研究将有助于解决非常规超导机理问题。

美国莱斯大学物理学斯其苗教授及其合作者在其论文中评价这项工作时表示，铬基笼目超导体的发现为笼目材料家族增添了一位新成员，它开辟了一个激动人心的研究方向。凭借其独特的现象和多轨道特性，该化合物将为研究平带上的电子关联提供了独特的研究平台。

发文当天，Nature杂志专门配发了由德国维尔茨堡大学Giorgio Sangiovanni教授撰写的工作介绍。文章以“Superconductor surprises with strong correlations”为题强调了电子关联的重要性，他以量子“熔炉”作比喻，称新的超导体介于传统磁性和强关联电子行为之间，处于电荷、自旋和轨道效应竞争的关节点，因而可能会导致非凡的新量子态。文章称，刘艺及其同事的工作可能会成为人们认识笼目金属的多体物理的一个转折点。

浙江大学/浙江工业大学刘艺博士、中国科学院物理研究所刘子儀副研究员、杭州师范大学/上海大学鲍金科副教授为论文的共同第一作者，中国科学院物理研究所周睿特聘研究员、程金光研究员以及浙江大学曹光旱教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省重点研发计划、中国科学院先导B专项和青年创新促进会项目的支持。论文中的高场核磁共振实验和高压物性测量是在国家重大科技基础设施-综合极端条件实验装置（SECUF）上完成的。