beat365官方网站量子材料科學中心、北京量子信息科學研究院、beat365納米器件物理與化學教育部重點實驗室陳劍豪研究員課題組與beat365官方网站量子材料科學中心謝心澄院士、北京理工大學beat365姚裕貴教授，清華大學物理系熊啟華教授，北京理工大學beat365王秩偉教授和北京師範大學物理學系劉翌研究員等合作，在籠目結構金屬CsV3Sb5中發現了三維隐藏序相變。2024年6月13日，相關研究成果以“通過面内磁輸運測量探測籠目結構金屬CsV3Sb5的三維隐藏序”（ Three-dimensional hidden phase probed by in-plane magnetotransport in kagome metal CsV3Sb5）為題，發表在期刊Nature Communications上。
籠目結構拓撲金屬AV3Sb5（A=Cs, Rb, K），因其非凡的電子結構，成為研究拓撲量子态和電子關聯的寶貴材料平台。該體系展現出了豐富多樣的量子态和非平庸的電子行為，包括拓撲表面态、具有配對密度波的超導态、電子向列相、電荷密度波、手性電輸運、反常霍爾效應和時間反演對稱性破缺等。複雜多樣的物态引發了科學界的廣泛關注，許多實驗試圖在該體系中尋找潛在的重要量子态，例如非常規超導電性、Majorana零能模和軌道電流序。以CsV3Sb5（CVS）為例，該體系中易被觀測的兩個相變是CDW相變（約90 K）和超導相變（約2.5 K）。有趣的是，越來越多的實驗表明在這兩個相變之間約35K處存在一個額外的相變。例如，缪子散射實驗發現在大約35 K以下CVS中具有明顯的破壞了時間反演對稱性信号，推測與二維的軌道電流序有關；掃描隧穿顯微鏡實驗、核磁共振實驗以及彈性電阻測量指出在約35 K以下形成電子向列序；電輸運測量實驗發現在該溫度以下存在明顯的倍頻信号。由于實驗結果有限，關于這個隐藏序還有很多未知之處，包括破壞時間反演對稱性的确切機制、隐藏序的空間對稱性以及其基本的電輸運特性。
陳劍豪課題組長期研究低維量子材料器件物理，與合作者在低維高遷移率材料、低維拓撲材料和低維磁性材料領域完成一系列重要的研究工作，如發現拓撲材料的維度依賴效應以及奇異的磁電阻效應（Physical Review B 103, 155408 (2021)；Physical Review B 104, 125439 (2021)；2D Materials, 10, 015010(2023)；Science Bulletin 68, 1488(2023)），實現二維反鐵磁體中電控的磁振子閥以及發現磁振子輸運各向異性（Nature Communications 12,6279 (2021)；Nature Communications, 14, 2526(2023)）等。其中，課題組于2023年在CsV3Sb5薄層器件中觀測到了維度依賴的非飽和線性磁阻。通過對該體系的電子散射率以及費米面結構的分析，非飽和的線性磁阻源自二維電荷密度波漲落，是電子關聯和維度的組合效應。
近日，陳劍豪課題組通過測量CsV3Sb5薄膜樣品的面内磁電阻，發現面内磁電阻與磁場方向呈現出明顯的各向異性，而且這種各向異性表現出顯著的溫度和磁場依賴性（見圖1）。通過提取面内磁阻的旋轉對稱分量，發現其中二重對稱性分量（C2）和六重對稱性分量(C6)具有明确的物理機制。C2分量與CDW同時出現，并與電子向列相具有相同的對稱性，表明C2分量與以上兩者相關；在約35 K以下，C6分量出現并且磁場可調，這與軌道電流序的圖像吻合。另外, 在這個溫度以下，無論是磁場垂直于電流還是平行于電流，面内磁電阻随磁場增加線性減小（即線性面内負磁阻）。種種實驗數據表明在35K以下存在一個磁場可調的三維軌道電流序（見圖2）。該項研究不僅為CVS中隐藏序的物理性質提供了完整的描述，同時為研究物質奇異量子态之間相互作用以及探測隐藏序提供範例。
北京量子信息科學研究院助理研究員魏鑫健和beat365官方网站量子材料科學中心博士研究生田叢寬為共同第一作者，陳劍豪為通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發計劃“量子調控與量子信息”重點專項、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。
圖1 CsV3Sb5面内磁電阻各向異性的磁場和溫度依賴。(a).面内磁阻測量示意圖，其中電流沿着x方向，γ是磁場與y軸之間的角度。(b).零磁場下, CVS樣品的電阻-溫度曲線，溫度範圍：2K到300K。電阻-溫度曲線在85K處的拐點對應着CDW相變，插圖是2K到10K之間電阻-溫度曲線的放大圖，顯示在4.3K發生超導轉變。(c)，(d).面内磁阻與γ的極坐标圖。圖c是溫度為5K時的數據，磁場大小依次為1，2，4，6，8，12T；圖d是磁場是9T時的數據，溫度依次為5，15，25，35，45，50K。
圖2 CsV3Sb5相圖與軌道電流序示意圖。(a).總結了文獻中報道的CVS相變（黑點）和本項研究中觀測到的相變（紅點）。(b). CVS中三維軌道電流序的示意圖。
文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49248-3
