北京
精准调控关联量子材料的演生量子物态是凝聚态物理重要前沿研究，对于实现原子级新型量子器件具有重要意义。近年来，包括AV3Sb5在内的笼目晶格（kagome）单晶材料同时展现出狄拉克点、范霍夫奇点和平带等奇特能带结构特征，为探索演生量子态及其相互作用提供了新的材料平台。过去的研究发现，AV3Sb5(A=K, Rb, Cs)中的非常规电荷密度波（CDW）表现时间反演对称性破缺与手性特征，并与超导态存在反常竞争关系，同时可诱导电子液晶态等多种新奇量子态。然而，在原子尺度上调控笼目晶格材料的新奇物性极具挑战性，国际上未曾有过报道。
近期，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研究员带领的研究团队在笼目金属CsV3Sb5表面的演生量子态进行了探索研究。博士生韩相和（已毕业，现为物理所博士后）与陈辉副研究员等利用极低温-强磁场扫描隧道显微镜/谱与原子操纵技术人工构筑了和表面2×2CDW具有相同周期的碱金属铯（Cs）有序结构，成功精准调控了演生准二维超导态和配对密度波。他们发现：1.准二维超导态与配对密度波：在Cs表面2×2有序结构上观测到演生准二维超导能隙与CDW能隙束缚态，准二维超导态的临界温度约为5.4K，在低于临界磁场（约为8Tesla）条件下产生磁通涡旋阵列与涡旋束缚态。在对应准二维超导相干峰能量范围内，观测到调制周期为4a0×4a0的准二维超导配对密度波。2. 量子尺寸效应：在表面原位构筑了特定构型的2×2人工Cs纳米岛，得到了准二维超导能隙及CDW能隙束缚态随纳米岛尺寸增长的演化规律，临界尺寸对应的准二维超导态的相干长度约为6nm。3. CDW相位调控的关键作用：原位构筑了4种不同相位的人工纳米岛，结合第一性原理计算，得到三维2×2×2CDW的“反相位”界面是演生准二维超导态的关键因素。
图 在笼目金属CsV3Sb5表面上原子级精准构筑的碱金属Cs人工量子结构、演生准二维超导态和配对密度波
该研究提出了一种通过可控构筑人工碱金属有序结构实现笼目金属中新奇演生超导态原子级精准调控的新思路，对量子材料的原子尺度构筑、新奇多体物态的演生及操控和构建基于新奇量子态的原子级量子器件研究具有重要意义。
相关成果以“Atomic manipulation of the emergent quasi-2D superconductivity and pair density wave in a kagome metal” 为题于6月10日在线发表在Nature Nanotechnology (2025)上。韩相和与陈辉等开展了极低温-强磁场扫描隧道显微镜/谱的相关工作；物理研究所杨海涛研究员和赵振博士提供了高质量的CsV3Sb5单晶样品；以色列魏尔兹曼研究所的Binghai Yan（颜炳海）教授和谭恒心博士进行了密度泛函理论计算；美国波士顿学院Ziqiang Wang（汪自强）教授开展了理论研究。博士生韩相和（现物理所博后）和陈辉副研究员为本文第一作者；陈辉副研究员、Ziqiang Wang（汪自强）教授和高鸿钧研究员为本文通讯作者。本工作受到科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目和中国科学院的资助。
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