籠目（kagome）晶格作為一種典型的二維結(jié)構(gòu)，由對(duì)頂三角形構(gòu)建而成。在該晶格系統(tǒng)中，電子能帶會(huì)展現(xiàn)出平帶、狄拉克錐、范霍夫奇點(diǎn)等物理上非常有趣的特性，其幾何與電子結(jié)構(gòu)能夠引發(fā)拓?fù)洹⒊瑢?dǎo)電性以及量子自旋液體等性質(zhì)，正因?yàn)槿绱耍鼛资陙?lái)，它在國(guó)際與國(guó)內(nèi)均受到了廣泛且深入的研究。

        近兩年，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)蘇剛團(tuán)隊(duì)在新型籠目超導(dǎo)材料的研究中不斷探索，取得了一系列重要進(jìn)展。2022年，團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論計(jì)算預(yù)測(cè)了一大類具有新奇性質(zhì)的新型鈦基籠目超導(dǎo)材料（Phys. Rev. B 106, L220505 (2022)）。基于此，他們聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組在國(guó)際上首次成功合成該家族中的CsTi₃Bi₅并發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的超導(dǎo)相和電子向列相（Nat. Commun. 15, 9626 (2024)）。之后，該團(tuán)隊(duì)與實(shí)驗(yàn)組探究了這一材料的電子結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫蛱匦裕∟at. Commun. 14, 4089 (2023)）。此外，蘇剛團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算研究了CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅壓力和摻雜下獨(dú)特的超導(dǎo)和拓?fù)湫再|(zhì)（Research 6, 0238 (2023)），并提出了CsTi₃Bi₅的兄弟家族材料Ti₆Bi₄（iScience 26, 105813 (2023)）。值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)關(guān)于新型鈦基籠目超導(dǎo)家族的一系列研究工作，推動(dòng)國(guó)內(nèi)外在相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)方面取得了眾多重要進(jìn)展（Phys. Rev. Lett. 131, 026701 (2023); Nat. Phys. 19, 1591 (2023); Nat. Phys. 19, 1827-1833 (2023); Nat. Phys. 19, 1757 (2023); Nat. Commun. 14, 4892 (2023); Nat. Commun. 14, 4089 (2023); Phys. Rev. B 107, 174510 (2023); Phys. Rev. Mater. 8, 024003 (2024); Z. Naturforsc. 77, 757-764 (2022); Chin. Phys. Lett. 40, 037102 (2023) 等）。

        具有籠目晶格的釩基非磁金屬AV₃Sb₅（A=K、Rb、Cs）近年來(lái)引起了國(guó)際上廣泛關(guān)注。國(guó)科大蘇剛團(tuán)隊(duì)率先計(jì)算預(yù)測(cè)了24個(gè)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的化合物（圖1），其中14個(gè)化合物是轉(zhuǎn)變溫度T_c在0.3-5.0K之間的超導(dǎo)體。拓?fù)湫再|(zhì)的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)包括最高T_c在內(nèi)的KZr₃Pb₅等幾種材料為Z₂拓?fù)浣饘伲麄円訬aZr₃As₅為例探索這類體系中可能存在的電荷密度波序。這一大類兼具超導(dǎo)電性和非平庸拓?fù)湫再|(zhì)的籠目材料家族為實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體打開了一扇大門。該工作以Letter形式發(fā)表在Physical Review B（原文https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.L220505）。文章第一作者是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士生易鑫偉，共同通訊作者為新加坡國(guó)立大學(xué)尤景陽(yáng)博士和蘇剛教授。

圖1：計(jì)算預(yù)測(cè)的24個(gè)新型籠目金屬材料

        隨后，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算全面研究了CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅的各種物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)摻雜下超導(dǎo)T_c有較大的提升，在壓力下CsTi₃Bi₅的T_c展現(xiàn)出獨(dú)特的谷和峰的形狀（如圖2），分析表明上升段源于結(jié)構(gòu)上各向異性到各向同性壓縮的轉(zhuǎn)變。另外，低壓下會(huì)涌現(xiàn)出很多新的拓?fù)浔砻鎽B(tài)，進(jìn)一步加壓能有效調(diào)節(jié)拓?fù)浔砻鎽B(tài)靠近費(fèi)米能級(jí)。由于強(qiáng)的自旋軌道耦合作用，CsTi₃Bi₅展現(xiàn)出較大的自旋霍爾電導(dǎo)。該工作為CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅的實(shí)驗(yàn)研究提供了及時(shí)且重要的科學(xué)價(jià)值。該工作發(fā)表在Research（原文https://doi.org/10.34133/research.0238），第一作者是易鑫偉，共同通訊作者為尤景陽(yáng)博士、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)顧波副教授和蘇剛教授。

圖2：CsTi₃Bi₅和RbTi₃Bi₅在壓力和摻雜下的拓?fù)浜统瑢?dǎo)性質(zhì)

        鑒于CsTi₃Bi₅的有趣性質(zhì)，探索更多鈦基籠目結(jié)構(gòu)的新型拓?fù)涑瑢?dǎo)材料十分必要。蘇剛團(tuán)隊(duì)提出了一類新的兼具熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的鈦基籠目材料家族Ti₆X₄（X=Bi、Sb、Pb、Tl、In）（見(jiàn)圖3）。發(fā)現(xiàn)在費(fèi)米能級(jí)附近具有自旋動(dòng)量鎖定的Z₂拓?fù)浔砻鎽B(tài)，表明它們是理想的Z₂拓?fù)浣饘伲贐CS理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)它們具有T_c為3.9-5.1K的超導(dǎo)基態(tài)，二者共存為實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體提供了可能平臺(tái)。此外，發(fā)現(xiàn)在其能帶結(jié)構(gòu)中豐富的Dirac節(jié)點(diǎn)和節(jié)線及強(qiáng)的自旋軌道耦合作用，導(dǎo)致Ti₆X₄具有629?⋅(e⋅Ω⋅cm)^-1的本征自旋霍爾電導(dǎo)，大的自旋霍爾電導(dǎo)為其應(yīng)用于自旋電子學(xué)器件提供了巨大優(yōu)勢(shì)。該工作已發(fā)表在iScience（原文https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105813）上。文章的第一作者是易鑫偉，共同通訊作者為尤景陽(yáng)博士、顧波副教授和蘇剛教授。

圖3：Ti₆X₄家族材料的結(jié)構(gòu)及其拓?fù)浜统瑢?dǎo)等性質(zhì)

        蘇剛團(tuán)隊(duì)與物理所周興江團(tuán)隊(duì)開展合作，實(shí)驗(yàn)研究了CsTi₃Bi₅的電子結(jié)構(gòu)。ARPES實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算聯(lián)合表明，其能帶結(jié)構(gòu)具有多個(gè)獨(dú)特的非平庸特征，包括貫穿整個(gè)布里淵區(qū)的平帶、Z₂能帶拓?fù)浔砻鎽B(tài)以及多個(gè)II型和III型Dirac節(jié)線環(huán)和節(jié)線（圖4）。該論文發(fā)表于Nature Communications（https://doi.org/10.1038/s41467-023-39620-0），論文共同第一作者是博士生楊鑒剛、易鑫偉、趙振和解于洋，共同通訊作者為蘇剛教授、中國(guó)科學(xué)院物理所高鴻鈞院士、趙林副研究員和周興江研究員。

圖4：CsTi₃Bi₅中的電子平帶、Z₂拓?fù)浔砻鎽B(tài)以及Dirac節(jié)線

        在此基礎(chǔ)上，蘇剛團(tuán)隊(duì)與物理所高鴻鈞院士團(tuán)隊(duì)開展深度合作，于兩年前實(shí)驗(yàn)上成功創(chuàng)制出該家族成員CsTi₃Bi₅單晶，這是國(guó)際上首次合成的鈦基籠目超導(dǎo)材料。輸運(yùn)和磁化率測(cè)量表明，CsTi₃Bi₅在常壓下超導(dǎo)T_c為4.8K，比CsV₃Sb₅高出一倍。利用掃描隧道顯微鏡/譜和Josephson掃描隧道譜，發(fā)現(xiàn)CsTi₃Bi₅單晶呈現(xiàn)兩個(gè)不同的超導(dǎo)能隙，該能隙由六重晶體旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺到二重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。在低能區(qū)，準(zhǔn)粒子干涉條紋顯示該體系存在向列有序的正常態(tài)，其方向與超導(dǎo)態(tài)的向列方向一致（圖5）。該工作為籠目超導(dǎo)體中存在的內(nèi)稟電子向列相提供了新的見(jiàn)解。該論文最近發(fā)表于Nature Communications（原文https://doi.org/10.1038/s41467-024-53870-6），共同第一作者是中國(guó)科學(xué)院物理所楊海濤研究員、博士生耶郁晗、趙振、劉家利和易鑫偉，共同通訊作者為中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳輝副研究員、董曉莉研究員、蘇剛教授、美國(guó)波士頓學(xué)院汪自強(qiáng)教授和高鴻鈞院士。

圖5：CsTi₃Bi₅的超導(dǎo)性質(zhì)和向列序

        上述工作得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委等的大力支持。