发现“笼目”超导体中低能集体激发模

技术研究中国科学院物理研究所 2024-09-20 09:22

超导态是库珀对凝聚后形成的宏观量子液体态，由包含能隙的大小（Δ）及相位（ϕ）等超导序参量描述。基于超导序参量的集体激发模式的研究可以深入理解库珀对的配对对称性和轨道性质，对探索研究多分量的新型超导体以及超导配对机制具有重大的意义。目前，与超导相关的超导集体激发模仅在在少数几种常规超导体中被观测到。但是，对于揭示及描述超导体中激发模与超导电性的普适关系，还需要研究更多超导体，尤其是研究新型多分量超导体中的超导集体激发模。这也是当前超导物理研究的挑战之一。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士研究团队陈辉副研究员、博士生胡彬、耶郁晗与合作者首先研究了高质量新型层状笼目结构超导体CsV_3-xTa_xSb₅的低能电子态，给出了超导电性和低能集体激发模在不同Ta掺杂情况下的演化规律。其主要发现点如下：1. 在CsV_3-xTa_xSb₅中观测到两种类型的超导能隙，分别具有各向异性和各向同性的能隙结构。随着引入Ta元素替换V元素，两种超导能隙逐渐靠近并趋向一致，最后同步增大；2. 通过扫描隧道谱确认了在超导能隙尺度下低能集体激发模的存在，随着Ta掺杂浓度的增大，长程电荷密度波逐渐减弱并在高掺杂的条件下完全被抑制，同时这一低能集体激发模的能量逐渐减小并远离超导能隙；3. 给出了超导转变温度与这一低能集体激发模能量的反关联关系，即越高的超导转变温度给出越低能的集体激发模；4. 提出了Higgs-Leggett机制，指出这一低能集体激发模可能源于不同超导配对分量通道中的相对相位涨落，并与超导能隙大小涨落的集体激发模相耦合。

该研究首次在原子尺度下发现了笼目超导中源于超导序参量的低能集体激发模式，对进一步研究笼目超导体的超导机理、超导电性与电荷密度波、配对密度波之间的关系，以及探索具有更高超导转变温度的新型多分量超导体具有重大的意义。

本工作受到了国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划和中国科学院的资助下。中国科学院物理研究所杨海涛研究员、赵振博士，美国波士顿学院Ziqiang Wang（汪自强）教授等也参与了本工作。相关成果以“Evidence of a distinct collective mode in Kagome superconductors”为题发表于Nature Commun. 15, 6109 (2024)。