近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳仙輝院士、王震宇教授等人在籠目超導(dǎo)的電子向列相研究中取得重要進(jìn)展。利用譜學(xué)成像-掃描隧道顯微技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在籠目超導(dǎo)體Cs(V, Ti)3Sb5中成功獲得了向列相中電子結(jié)構(gòu)的微觀信息，觀察到了電-聲子耦合所導(dǎo)致的單向電子自能修正，并發(fā)現(xiàn)電子向列相與超導(dǎo)態(tài)之間存在競爭關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解籠目超導(dǎo)體的演生物理提供了重要的實(shí)驗(yàn)線索，也為研究實(shí)際晶格體系中電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供了新的方向。相關(guān)研究成果于5月11日以“Unidirectional electron–phonon coupling in the nematic state of a kagome superconductor”為題發(fā)表在《Nature Physics》雜志。

電子向列相是由電子波函數(shù)旋轉(zhuǎn)對稱性自發(fā)破缺而產(chǎn)生的有序態(tài)，廣泛存在于銅基/鐵基高溫超導(dǎo)體、量子霍爾絕緣體以及雙層轉(zhuǎn)角石墨烯等體系中。研究電子向列相中電子的集體組織原則以及它對其它電子序的影響是凝聚態(tài)物理的重要研究課題之一。近幾年，籠目超導(dǎo)體AV3Sb5(A = K, Rb, Cs)的發(fā)現(xiàn)為研究三角格子中的電子態(tài)對稱破缺提供了一個(gè)重要平臺。在籠目超導(dǎo)CsV3Sb5體系的前期研究中，中科大陳仙輝院士團(tuán)隊(duì)成功揭示了面內(nèi)三重調(diào)制的電荷密度波態(tài)（Phys. Rev. X11, 031026 (2021)），觀察到并闡明了壓力下電荷密度波的演化及其與超導(dǎo)態(tài)的反常競爭關(guān)系（Nat. Commun.12, 3645 (2021)；Nature 611, 682-687 (2022)），同時(shí)發(fā)現(xiàn)該電荷密度波在低溫下可以演化出一類新奇的電子向列相（Nature604, 59–64 (2022)）。由于電子向列相一般對局域晶格畸變和無序非常敏感，容易形成疇界，使得其微觀特征很難被常規(guī)手段探測到。

陳仙輝院士團(tuán)隊(duì)王震宇教授等人利用準(zhǔn)粒子相干散射成像技術(shù)對鈦摻雜的籠目超導(dǎo)體Cs(V, Ti)3Sb5中的電子向列相和超導(dǎo)態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該技術(shù)利用對電子（準(zhǔn)粒子）波函數(shù)相干散射的測量從而獲得單疇內(nèi)的微觀電子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)入電子向列相后，籠目晶格所對應(yīng)的電子能帶出現(xiàn)了明顯的旋轉(zhuǎn)對稱破缺。對電子色散和準(zhǔn)粒子壽命的全面分析發(fā)現(xiàn)，電-聲子耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致籠目晶格能帶上出現(xiàn)單向的電子自能修正，從而使得電子色散和電子低能動(dòng)力學(xué)出現(xiàn)強(qiáng)烈的二度對稱特征。

相干散射測量結(jié)果還能反映電子波函數(shù)的相干信息。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在電子向列相溫度以上，籠目晶格能帶所對應(yīng)的干涉圖樣迅速消失，電子波函數(shù)相干性明顯變差。這說明在該體系中，電子向列相是電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)和聲子共同作用所形成的電子相干態(tài)。當(dāng)相干溫度升高時(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度明顯下降，表明這兩個(gè)電子有序態(tài)之間存在著競爭關(guān)系。對超導(dǎo)態(tài)準(zhǔn)粒子的進(jìn)一步系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子向列相和電荷密度波序隨著摻雜消失時(shí)，籠目晶格能帶將貢獻(xiàn)主要的超導(dǎo)能隙，支持了二者之間的相互競爭。

圖1. 籠目超導(dǎo)中的準(zhǔn)粒子相干散射圖像與籠目能帶上的單向電聲子耦合

上述結(jié)果揭示了籠目超導(dǎo)體向列相中電子結(jié)構(gòu)的微觀特征以及它和超導(dǎo)態(tài)的競爭關(guān)系，為理解該體系中多種電子有序態(tài)的起源與相互影響提供了重要的實(shí)驗(yàn)線索，也為探索更多體系中電子關(guān)聯(lián)和聲子自由度的協(xié)同作用提供了一個(gè)新的研究方向。