精準調控關聯量子材料的演生量子物態是凝聚態物理的前沿,對于實現原子級新型量子器件具有重要意義。近年來,包括AV₃Sb₅在內的籠目晶格單晶材料展現出狄拉克點、范霍夫奇點和平帶等奇特能帶結構特征,為探索演生量子態及其相互作用提供了新的材料平臺。既往研究發現,AV₃Sb₅(A=K,Rb,Cs)中的非常規電荷密度波(CDW)表現出時間反演對稱性破缺與手性特征,與超導態存在反常競爭關系,可誘導電子液晶態等多種新奇量子態。然而,在原子尺度上調控籠目晶格材料的新奇物性極具挑戰性,國際上未有報道。

近期,中國科學院院士、物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員高鴻鈞帶領的研究團隊,探究了籠目金屬CsV₃Sb₅表面的演生量子態。該研究利用極低溫-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2×2CDW具有相同周期的堿金屬銫(Cs)有序結構,調控了演生準二維超導態和配對密度波。

該研究取得如下成果。一是準二維超導態與配對密度波。研究在Cs表面2×2有序結構上觀測到演生準二維超導能隙與CDW能隙束縛態,準二維超導態的臨界溫度約為5.4K,在低于臨界磁場條件下產生磁通渦旋陣列與渦旋束縛態;在對應準二維超導相干峰能量范圍內,研究觀測到調制周期為4a₀×4a₀的準二維超導配對密度波。二是量子尺寸效應。研究在表面原位構筑特定構型的2×2人工Cs納米島,發現準二維超導能隙及CDW能隙束縛態隨納米島尺寸增長的演化規律,臨界尺寸對應的準二維超導態的相干長度約為6nm。 三是CDW相位調控的關鍵作用。研究原位構筑4種不同相位的人工納米島,結合第一性原理計算,發現三維2×2×2CDW的“反相位”界面是演生準二維超導態的關鍵因素。

上述研究提出通過可控構筑人工堿金屬有序結構實現籠目金屬中新奇演生超導態原子級精準調控的新思路,對量子材料的原子尺度構筑、新奇多體物態的演生和操控以及構建基于新奇量子態的原子級量子器件研究具有重要意義。

相關研究成果在線發表在《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目的支持。

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在籠目金屬CsV₃Sb₅表面上原子級精準構筑的堿金屬Cs人工量子結構、演生準二維超導態和配對密度波