科學通報 | 原子級精準調控籠目金屬中演生準二維超導態和配對密度波

發展人工操縱單個原子技術, 實現人類“用原子搭積木”的愿景, 是納米科技的核心目標. 早在1989年, IBM科學家利用掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscpe, STM)在鎳表面精準排列35個氙原子, 拼出公司Logo, 標志著人類進入原子操縱時代 [1] . 從此, 原子操縱技術迅速發展, 使原子尺度上調控物質的多種物理性質成為可能. 這包括: 將原子或分子按照特定的幾何構型排列, 用以調控其能帶結構 [2] ; 在原子尺度上對磁性原子鏈或磁性納米結構進行調控 [3] ; 以及在原子尺度上實現精準刻蝕 [4] 等. 然而, 傳統的原子操縱與物性調控研究多集中于貴金屬或半導體材料表面. 近年來, 關聯量子材料中演生物態的原子級精確調控對于實現原子級新型量子器件具有重大意義. 目前, 利用原子操縱技術對關聯量子材料中演生量子物態進行原子級精確調控的研究極具挑戰性, 國際上未曾有過報道.

最近, 在籠目金屬CsV3Sb5中, 我們利用極低溫-強磁場掃描隧道顯微鏡/譜與原子操縱技術人工構筑了與表面2×2電荷密度波(charge density wave, CDW)具有相同周期的堿金屬銫(Cs)有序結構, 原子級精準調控了演生準二維超導態和配對密度波, 成功實現了對關聯量子材料中演生物態的精確調控. 該研究成果發表于 Nature Nanotechnology [5] .

通過調控樣品的解理溫度, 我們獲得了一種全新的解理面——2×2 Cs解理面. 該解理面上Cs原子最短間距為兩倍晶格常數. 經測量發現, 2×2 Cs面在費米能級附近存在一個顯著的局域束縛態, 并且展現出一個大小約為1.7 meV, 關于費米能級對稱的能隙( 圖1(a) ). 系統的變磁場和變溫實驗確認了該能隙為2×2 Cs面的新型演生準二維超導能隙. 此外, 在對應準二維超導能量范圍內, 我們還觀測到調制周期為4倍晶格周期(4 a 0×4 a 0)的準二維超導配對密度波 [ 6 , 7 ] .

圖1 在籠目金屬CsV3Sb5表面構筑堿金屬人工量子結構, 演生出新型的準二維超導態并實現原子級精準調控 [5] . (a) 不同表面的微分電導譜. (b) STM原子操縱構建人工2×2 Cs三角形納米島的示意圖. (c) 不同尺寸的人造2×2 Cs納米島. (d) 三角形島特征隧穿電導譜對島尺寸的依賴關系. (e) 四種2×2 Cs重構構型的特征微分電導譜. (f) 在2×2 CDW的“反相位”界面產生準二維超導

為揭示演生超導的產生機制, 我們利用STM原子操縱技術人工構建了不同尺寸的正三角形2×2 Cs納米島( 圖1(b), (c) ). 研究發現, 當納米島邊由多于20個Cs原子組成時( 圖1(d) ), 可在納米島特征譜中探測到演生超導態. 據此可以精確計算出該演生超導態的相干長度約為 6?nm, 該數值和通過磁通渦旋估算得到的結果一致.

堿金屬原子會在樣品表面引入局域電子摻雜, 這會對樣品表面能帶造成影響 [8] . 但是除2×2 Cs以外, 在CsV3Sb5中還被報道發現過多種重構 [9] , 其中不乏與2×2 Cs有著相似表面Cs原子覆蓋度的重構, 然而我們并未在這些重構中探測到演生超導態. 所以除了電子摻雜外, 一定還存在其他的誘導因素. 我們注意到, 不同于其他重構, 2×2 Cs和CsV3Sb5的三維2×2×2 CDW有著相同的面內周期, 二者可能存在緊密聯系. 而每個2×2 Cs超晶格只包含一個Cs原子, 該原子可占據下層籠目晶格中CDW的2×2超結構內四個六邊形中心位之一. 由此可以得到四種2×2 Cs超晶格在表面的排布構型, 其中只有一種與面內2×2 CDW同相位, 其余三種皆為反相位, 即存在π相位差. 而且經密度泛函理論計算發現, 表面2×2 CDW與2×2 Cs存在相位鎖定關系, 經表面弛豫后2×2 CDW會與2×2 Cs保持同相位, 故四種2×2 Cs構型中, 僅一種與體CDW同相, 其余三種因π相位差破壞CDW的相位相干, 形成“反相位”界面. 據此, 我們再次利用STM原子操縱技術, 在表面構建了四種同尺寸不同相位的正三角形2×2 Cs納米島, 在其中三種構型中觀測到了較強的演生超導, 剩余一種構型中則無法探測到( 圖1(e) ). 這說明三維2×2×2 CDW的“反相位”界面是演生準二維超導態的關鍵因素( 圖1(f) ).

為進一步證明演生超導態與體材料中三維CDW密切相關, 我們也設計了對比實驗. 在同樣具有三維CDW的其他籠目超導體(KV3Sb5和RbV3Sb5)中, 我們均觀測到了演生超導態的跡象. 此外, 通過Ti摻雜, 籠目超導體中長程有序的CDW被完全抑制 [10] . 在該材料表面構筑的2×2的Cs有序結構中未能觀測到演生超導態.

該研究創新性地通過原子操縱技術人工構建了堿金有序結構, 首次實現了籠目金屬材料中的演生準二維超導態與配對密度波的調控, 通過精確構筑CDW“反相位”界面探明了三維CDW堆垛的相位缺陷是產生準二維超導的關鍵因素, 提出了在籠目金屬乃至其他關聯量子材料中演生、操控與控制量子多體態的新方法. 未來, 借助自動化操縱 [11] 或化學方法 [12] , 有望實現在微米尺度上CDW相位的調控, 為角分辨光電子譜、輸運測量等手段提供全新的量子材料平臺.

參考文獻

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[10] Yang H, Huang Z, Zhang Y, et al. Titanium doped kagome superconductor CsV3? x Ti x Sb5 and two distinct phases . Sci Bull , 2022 , 67: 2176 -2185

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