研究背景
笼目晶格是一种具有特征性的几何结构，其二维晶格中的原子排列形成了类似于蜂窝的图案。近年来，这种独特的晶格结构因其可能展现的特殊电子行为和磁学性质，成为了凝聚态物理领域的研究热点。例如，钒基笼目晶格材料AV3Sb5（A=K, Rb, Cs）展示了超导性和电荷密度波有序性等多种新奇物态。然而，这些材料是非磁性的且电子关联较弱，因此不太可能实现理论上预言的非常规超导性。为了探索新型笼目晶格材料的潜力，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、周睿等研究组携手在“Nature”期刊上发表了题为“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”的最新论文。科学家们提出了铬基笼目金属CsCr3Sb5，并对其进行了深入研究。研究发现，该材料在常压下经历了55 K的结构和磁性相变，并且在高压下表现出与电荷密度波和反铁磁自旋密度波有序性相关的相变。在3.65–8.0 GPa的压力范围内，CsCr3Sb5展现出了超导性，其中超导转变温度在4.2 GPa时达到最大值6.4 K，并且正常态显示出非费米液体行为。这些发现为探索高度关联笼目系统中的超导性提供了新平台，可能有助于揭示非常规超导性的机理。
研究亮点
1. 实验首次：在铬基笼目晶格材料中发现了超导性，并对其进行了系统研究。具体来说，研究团队成功合成了铬基笼目金属CsCr3Sb5，并探究了其在不同压力下的超导特性。
- 材料合成和表征：使用自熔法合成了CsCr3Sb5单晶，并通过单晶X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDX）进行了结构和化学成分的表征。结果表明，CsCr3Sb5具有典型的笼目晶格结构，并且在常压下具有强电子关联和磁性挫败。
- 相变和超导性：在55 K时，CsCr3Sb5经历了一个结构和磁性相变，表现为条纹状的4a0结构调制。在高压下，密度波状有序性逐渐被抑制，并出现了两个相变，可能与电荷密度波和反铁磁自旋密度波有序性相关。在3.65–8.0 GPa的压力范围内，发现了一个超导圆顶，其中超导转变温度的最高值为6.4 K，出现在4.2 GPa的压力点，此时密度波状有序性被完全抑制。
- 非费米液体行为：在超导性出现的高压下，CsCr3Sb5的正常态显示出非费米液体行为，与铁基超导体中的非常规超导性和量子临界现象相似。该研究为在关联笼目系统中探讨超导性提供了独特的平台。
图文解读
图4. 通过DFT计算CsCr3Sb5的电子结构。
总结展望
本文的研究揭示了在具有强关联性的笼目晶格系统中实现超导性的新途径。长期以来，理论上预测超导性可以在高度关联的笼目系统中实现，但实验上一直难以验证。研究表明，铬基笼目金属CsCr3Sb5展现了显著的电子关联性和磁性挫败，并且其接近费米能级的平带特性为超导性提供了有利条件。在常压下，CsCr3Sb5经历了结构和磁性的相变，表现为条纹状的4a0结构调制。通过施加压力，这种材料的密度波状有序性被逐渐抑制，最终在3.65–8.0 GPa的压力区间内出现了超导电性，并且在4.2 GPa时超导转变温度达到最高值6.4 K。这一发现不仅为实现非常规超导性提供了新的实验平台，也为研究量子临界现象和非费米液体行为提供了新的视角。Liu, Y., Liu, ZY., Bao, JK. et al. Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal. Nature 632, 1032–1037 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07761-x
