揭示新发现的kagome金属的超导性

已经在计算机和MRI机器中使用的超导体——可以无阻力传输电力的材料——有望开发更先进的技术，如悬停列车和量子计算。然而，超导性如何在许多材料中发挥作用仍然是一个限制其应用的谜。

发表在《自然物理学》上的一项新研究揭示了AV3Sb5的超导性，这是一个最近发现的kagome金属家族。该研究由文理学院吴亮牵头，吴实验室博士后徐一帅、研究生倪卓亮、邓勤文与魏茨曼科学研究所和加州大学的研究人员合作完成，圣巴巴拉。

自发现以来，化学式为AV3Sb5(其中A指铯、铷或钾)的超导体因其奇异的特性而引起了极大的兴趣。这些化合物具有kagome晶格，这是一种不寻常的原子排列，类似于日本的篮子编织图案，由交错、共享角的三角形组成。几十年来，Kagome晶格材料一直吸引着研究人员，因为它们提供了了解几何挫折、拓扑结构和强相关性等量子现象的窗口。

虽然先前对AV3Sb5的研究发现了两种不同的合作电子态(电荷密度波序和超导性)共存，但伴随这些态的对称性破缺的性质尚不清楚。在物理学中，对称性是指系统在某些变换下保持不变的物理或数学特征。当一种材料从正常的高温状态转变为像超导性这样的奇异低温状态时，它会发生对称性破坏。Wu的实验室开发并使用时间分辨和非线性光学技术来研究量子材料，他着手阐明当AV3Sb5时对称性破缺的性质进入电荷密度波阶段。

AV3Sb5展示了研究人员所说的对称破缺相的“级联”。换句话说，随着系统冷却，它开始进入对称破缺状态，温度越来越低，导致额外的对称破缺。“为了将超导体用于应用，我们需要了解它们，”吴说。“由于超导性在更低的温度下发展，我们需要首先了解电荷密度波相。”

在其正常状态下，AV3Sb5由六方晶体结构组成，由钒(V)原子与锑(Sb)配位的kagome晶格相互堆叠，中间夹有铯、铷或钾片每个V-Sb层。结构为六重旋转对称;当旋转60度时，它保持不变。

为了确定AV3Sb5在电荷密度波相位中是否保持六重对称性，研究人员对AV3Sb5家族的所有三个成员进行了扫描双折射测量。双折射或双折射是指由具有不同晶体轴、主轴和非等效轴的材料所表现出的光学特性。当光沿着非等效轴进入材料时，它一分为二，每条光线都被偏振并以不同的速度传播。

“在kagome平面中，线性光学响应在任何方向上都应该是相同的，但它们不在AV3Sb5中，因为在两个kagome层之间存在相对偏移，”Wu说，并解释说双折射测量揭示了平面中两个正交方向之间的差异以及两层之间的相移，当它们进入电荷密度波状态时，将材料的六倍旋转对称性降低到两倍。“以前物理学界并不清楚这一点。”

不同的轴并不是光偏振平面旋转的唯一解释。当线偏振光遇到磁性表面时，它也会发生变化，这种现象称为磁光克尔效应。在AV3Sb5样品中通过沿主轴发射光分离出双折射特性后，研究人员使用第二种光学技术来测量克尔效应的开始。对于所有三种金属，实验表明克尔效应始于电荷密度波态。这一发现表明电荷密度波的形成打破了另一种对称性，即时间反演对称性。打破时间反转对称性的最简单方法——无论时间向前还是向后运行，物理定律都保持不变——是使用永磁体，就像我们放在冰箱上的那些一样，吴说。

然而，克尔效应只能在低温下以高分辨率观察到，这表明kagome金属基本上没有磁性。“有了这些量子材料，”吴说，他和他的合作者推测，时间反转对称性“不是被永磁体破坏，而是被循环回路电流破坏”。确认时间反演对称性的本质打破电荷密度波状态后，研究人员进行了第三个实验，在该实验中，他们测量了电荷密度波相位的圆二色性或左旋和右旋圆偏振光的不相等反射率。“我们还需要进一步的工作，但这一发现确实支持了循环回路电流的可能性，”Wu说，回路电流的存在表明金属中超导的非常规性质。

2018年国会通过了《国家量子倡议法案》，目标是推进量子材料研究和量子技术的发展。量子材料包括具有拓扑性质的材料和具有相关性的材料，如kagome金属AV3Sb5。虽然吴之前的研究集中在前一类和反铁磁体上，但他说他为这些研究开发的扫描光学技术为研究新的kagome金属的对称性破坏提供了一种“现成的通用工具”。

“所有超导体都很有趣，因为它们有可能被用作量子计算机的基础，但在将这些新的超导体用于量子计算之前，我们需要了解超导性的本质，”吴说。