高压下 CsCr3Sb5中平带增强反铁磁涨落与超导性：解锁几何阻挫体系的新奥秘

为探究 kagome 体系自旋动力学和电子序，浙江大学等机构研究人员对高压下 CsCr3Sb5进行计算分析。结果显示，其存在强反铁磁自旋涨落及 S±波和 (dxy,dx2-y2) 波超导序，该研究为相关体系研究提供新视角。

　　在凝聚态物理的奇妙世界里，kagome 体系一直是科学家们关注的焦点。这个体系就像一座神秘的宝藏库，蕴藏着众多新奇的物理现象。然而，其中不同填充水平下的自旋动力学和电子序，却如同隐藏在迷雾中的谜题，让科研人员们困惑不已。

在过去的研究中，虽然针对 kagome 体系在不同填充水平下的特性已有不少探索，但仍存在许多尚未解开的谜团。比如在平带填充、范霍夫填充和狄拉克填充等不同状态下，体系会展现出各种奇特的现象，像铁磁基态、分数量子霍尔态、拓扑非平凡现象等，但背后的机制却并不完全清楚。而新发现的 kagome 化合物 CsCr₃Sb₅，更是引起了科学界的广泛关注。它具有与 A V₃Sb₅家族类似的结构，在常压下呈现不良金属行为，还会发生类似密度波（DW）的相变。随着压力的变化，其相图中出现超导穹顶和非费米液体行为，并且 DW 相变可能具有磁性，这暗示着自旋动力学与非常规超导性（USC）之间存在紧密联系。此外，CsCr₃Sb₅中存在的起始平带（IFBs），为研究平带物理对电子关联和超导性的影响提供了独特的机会。

为了深入揭开这些谜团，浙江大学的研究人员 Siqi Wu、Chenchao Xu、Xiaoqun Wang 等开展了一项极具意义的研究。他们通过第一性原理计算和随机相位近似（RPA）分析，对高压下 kagome 相的 CsCr₃Sb₅进行了深入探究。

这项研究的重要意义非凡。它不仅揭示了 CsCr₃Sb₅在高压下的自旋涨落和超导不稳定性的特性，还提出了一种新的机制 —— 亚晶格 - 动量耦合驱动机制，用于解释未占据平带增强反铁磁涨落的现象。这一机制为未来研究几何阻挫体系提供了全新的视角，有助于科学家们更深入地理解这类复杂体系的物理性质，推动凝聚态物理领域的发展。该研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员开展研究时主要用到了两个关键技术方法。一是基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，利用 Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）软件，在 5GPa 压力下对 CsCr₃Sb₅的晶体结构进行优化，并构建紧束缚哈密顿量。二是随机相位近似（RPA）分析，从模型哈密顿量出发，计算裸电子、自旋和电荷的磁化率，进而研究超导配对顶点函数和超导不稳定性。

下面来看具体的研究结果：

• 第一性原理计算：在 5GPa 压力下对 CsCr₃Sb₅进行结构优化，得到了其六角晶格参数。能带结构和态密度分析表明，费米能级（E_F）附近的能带主要由 Cr 的 d 轨道贡献。在 E - E_F = -0.3eV 处，存在一个极平带，它源于 kagome Cr 晶格的阻挫几何结构。同时，在 E_F附近能识别出两组适度扭曲的 kagome 带，填充水平略低于 IFBs。
• RPA 分析：通过 RPA 分析探索高压下 CsCr₃Sb₅的不稳定性。计算发现，bare 电子磁化率在 M 点附近有一组 V 形峰，在第一布里渊区内部有一组环形峰，这些峰与费米面（FS）嵌套相关。当考虑相互作用时，自旋磁化率增强，电荷磁化率抑制，表明自旋涨落占主导。通过求解线性化能隙方程，发现中等 U（0.5 - 1.2eV）时，超导能隙对称性主要由 J/H 比值决定，系统倾向于形成 S_±波或 (d_xy,d_{x²-y²) 波超导序。通过 cRPA 计算估计相互作用参数，表明该体系处于 S±波区域。}
• 起始平带的作用：研究发现，未占据的 IFBs 对反铁磁（AFM）涨落有显著贡献。去除未占据的 IFBs 后，AFM 自旋磁化率的峰显著抑制，超导序也发生改变。对于 kagome Hubbard 模型，当填充水平改变使 E_F靠近平带时，AFM 涨落增强，这是平带和局部库仑相互作用共同作用的结果。

在讨论部分，研究人员深入探讨了 IFB 诱导自旋涨落增强的机制。通过将公式改写为光谱形式，发现涉及未占据 IFBs 的通道中，AFM 特征主要源于轨道或位点自由度。亚晶格 - 动量耦合（SMC）在理想 kagome 模型和 CsCr₃Sb₅中都存在，且亚晶格自由度与动量强烈耦合。由于局部库仑相互作用的限制，只有 Q≠Γ 的亚晶格内通道参与图式求和，从而选择性地增强了 AFM 涨落。SMC 是平面二分晶格线图的普遍特征，在其他 kagome 体系中也存在类似现象。在 CsCr₃Sb₅中，IFBs 的平坦性和未占据性质使其与库仑相互作用的局域性更强耦合，对主导涨落通道的动量产生选择性影响。而且，由于 Sbl - p_z轨道和 Cr - d 轨道之间的自掺杂效应，IFBs 的位置对外部压力相对不敏感，因此 SMC 机制在较宽压力范围内可能都存在。

综上所述，该研究通过第一性原理计算和 RPA 分析，揭示了高压下 CsCr₃Sb₅中存在强 AFM 涨落，介导了主导的 S_±波和竞争的 (d_xy,d_{x²-y²) 波超导序。在局部库仑相互作用的主导下，占据带和未占据 IFBs 的 k 空间亚晶格权重分离抑制了亚晶格内铁磁涨落，选择性地增强了 AFM 涨落。这种 SMC 增强的 AFM 机制有望广泛存在于费米能级位于 IFBs 和色散带之间的 kagome 体系中，甚至可能适用于其他几何阻挫体系，为进一步探索几何阻挫体系中的新奇物理现象奠定了重要基础，打开了新的研究大门。}