Kagome超导体YRu3Si2中发现800K高温电荷有序与时间反演对称性破缺

《Nature Communications》：Discovery of high-temperature charge order and time-reversal symmetry-breaking in the kagome superconductor YRu3Si2

本研究针对kagome超导体体系中电荷有序与超导相互作用机制不明确的科学问题，开展了YRu3Si2的微观物性研究。通过μSR、X射线衍射和DFT等实验方法，发现了创纪录的800K高温电荷有序态，揭示了25K以下的时间反演对称性破缺和90K的场诱导磁性，并确定了其多能隙超导特性。该研究为理解kagome材料中关联电子态与超导的相互作用提供了重要平台。

　　

在凝聚态物理领域，寻找高温非常规超导体系始终是科学家们孜孜以求的目标。近年来，kagome晶格材料因其独特的几何阻挫结构和奇特的电子能带特征，成为探索新奇量子现象的理想平台。这种由角共享三角形组成的二维网络结构，天然具有狄拉克锥、平带和范霍夫奇点等能带特征，为电荷有序、时间反演对称性破缺与超导电性的相互作用研究提供了广阔空间。

在众多kagome材料中，LaRu₃Si₂因其400K的电荷有序温度和丰富的物理现象引起了广泛关注。然而，当用更小的Y原子替代La形成YRu₃Si₂时，超导转变温度从7K降至3.4K，这一现象引发了重要科学问题：化学压力如何影响电荷有序？超导与电荷有序之间存在怎样的内在联系？为了解答这些问题，由瑞士保罗谢勒研究所Z. Guguchia领导的研究团队对YRu₃Si₂展开了系统研究，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队主要采用μ子自旋旋转(μSR)技术、X射线衍射(XRD)、磁输运测量和密度泛函理论(DFT)计算等关键技术方法，其中μSR技术能够探测体超流密度和微小内磁场，XRD可直接观测结构相变，DFT计算则从电子结构层面揭示物理机制。

结构演化与X射线衍射和DFT揭示的电荷有序

X射线衍射实验在80K至900K温度范围内进行，结果显示在800K以上为Cccm结构，而在800K以下出现超结构反射，对应传播矢量q=(1/2,0,0)，表明发生了从Cccm到Pmma的结构相变。这一相变标志着YRu₃Si₂中电荷有序的建立，其起始温度T_co=800K，是LaRu₃Si₂的两倍，创下了kagome体系中电荷有序温度的新纪录。

DFT计算揭示了结构演变的微观机制。高对称性的P6/mmm相具有不稳定的声子模式，其中A点虚声子模导致Cccm结构的形成，而A和L点虚声子模共同作用诱导Pmma结构。在Pmma相中，Ru-Ru键长分裂为三个不同值，其中d₁=2.708?短于母相中的均匀键长，这种键长不等价性表明电子电荷密度不再均匀分布，而是沿特定Ru-Ru键局域化，形成了电荷有序态。

超导和正常态的磁输运特性

电阻率测量显示YRu₃Si₂在电荷有序态仍保持金属行为，表明电荷有序仅部分重构了费米面。电阻率一阶导数分析揭示了两个特征温度：T₁^*(R)~90K处的斜率变化和T₂^*(R)~35K处的明显峰值。超导转变起始于3.9K，中点温度为3.7K。外加磁场逐渐抑制超导转变温度，估计上临界场μ₀H_c2=1.0T(2K)。

磁阻测量显示在约80K以下出现磁阻效应，低温下可达45%。磁阻和霍尔电阻的温度依赖关系均显示出与电阻率导数确定的特征温度相对应的异常变化，表明在电荷有序和超导之间存在电子态转变。

μSR探测的微观超导和正常态特性

横向场μSR实验证实了YRu₃Si₂的体超导特性。超导态下μSR谱线明显展宽且不对称，表现出涡旋晶格的典型特征。1.1mT的大抗磁位移证实了超导的体性质。

超流密度分析表明，单能隙各向同性模型和节点能隙模型与实验数据不符，而双能隙各向同性模型(Δ₁=0.53meV, Δ₂=0.15meV)或各向异性无节点能隙模型(各向异性比α=0.20)均能较好描述数据。零温度穿透深度λ_eff(0)=173nm，T_c/λ_eff(0)^-2≈0.10，处于非常规超导体典型范围内，表明超流密度相对稀疏，指向非常规配对机制。

零场μSR实验发现，虽然未观察到长程磁有序，但μ子自旋弛豫率呈现明显温度依赖。低于T₂^*≈25K时，Γ_ZF显著增加，对应特征场强约0.45G，表明时间反演对称性破缺。这一现象在超导转变前已经出现，说明时间反演对称性破缺是正常态固有特性。

高场μSR实验进一步证实了时间反演对称性破缺特性，并揭示了低于T₁^*的场诱导磁态。随外加磁场增强，μ子自旋弛豫率在T₂^*以下的增加更为显著，在4T时比0.01T时大近十倍，表明磁场显著增强了磁响应。

电子结构与范霍夫奇点物理

DFT计算显示YRu₃Si₂的能带结构存在两个靠近费米能的范霍夫奇点，其中VHS1位于平带内，具有面外d_xz和d_yz轨道特征，VHS2则具有面内d_xy和d_x2-y2轨道特征。两个VHS均属于子晶格混合型，与CsV₃Sb₅和ScV₆Sn₆中的VHS特征有所不同。

电荷有序态下，两个VHS能带的宽度沿Γ-M₁-K₁方向重整化，VHS1和VHS2分别位于费米能之下和之上，但保持其轨道特征。这种多个VHS在电荷有序态下的持续存在，被认为是时间反演对称性破缺相形成的关键因素。同时，电荷有序态的低对称性导致了VHS费米学中的向列性，M₂点的VHS因电荷有序驱动的相互作用而消失，仅保留M₁点的VHS。

本研究确立了YRu₃Si₂作为kagome超导体的独特地位：具有800K的创纪录高温电荷有序、25K以下的时间反演对称性破缺、90K以下的场诱导磁响应、费米能附近的双范霍夫奇点以及非常规多能隙超导特性。这些发现不仅展示了kagome材料中多种对称性破缺相与超导的复杂相互作用，也为理解VHS驱动的不稳定性与量子相形成机制提供了新视角。YRu₃Si₂作为研究关联kagome物理的理想平台，将推动STM、ARPES等先进表征技术的进一步应用，深化对非常规超导机制的理解。