无序对Kagome金属中微观超导和正常态响应的影响

《Advanced Functional Materials》：Impact of Disorder on Microscopic Superconducting and Normal-State Responses in a Kagome Metal

　　

在K(V_0.93Ta_0.07)₃Sb₅中，Ta取代抑制了电荷序，同时使超导转变温度T_c几乎翻倍。显著的漫散射揭示了一个高度无序的电荷序态。研究人员使用深度分辨、磁场和压力调控的μ子自旋旋转（μSR）测量，研究了这种无序对超导和正常态性质的影响。尽管Ta掺杂诱导了T_c的增加，但超流密度被发现极低，甚至低于未掺杂的KV₃Sb₅，同时超导能隙变为无节点，表明无序驱动了从节点到无节点配对的交叉。适度的静水压力将超流密度和T_c驱动至未掺杂化合物中的最优值。这表明无序并未限制最优超导态。相比之下，无序对正常态性质有显著影响，在电荷序温度以下产生巨大的场增强弛豫，以及类似居里-韦斯（Curie-Weiss）的奈特位移，指示了局部矩磁性。此外，不同于无无序的RbV₃Sb₅和Nb掺杂的CsV₃Sb₅，Ta_0.07-KVS未表现出正常态弛豫率的深度依赖性。这些发现共同表明，无序从根本上改变了轨道矩与局部矩磁性之间的相互作用，对超导和正常态磁性产生了截然不同的影响。

**论文解读：无序对Kagome金属中微观超导和正常态响应的影响**

**研究背景与问题**

在量子材料中，自旋、轨道和磁自由度之间的相互作用可引发现象丰富的物理行为。Kagome晶格（由共享顶点的三角形构成的网络）因其独特的能带结构——包含平带、范霍夫奇点和拓扑狄拉克点——成为研究这些奇异现象的理想平台。其中，AV₃Sb₅（A=K, Rb, Cs）化合物备受关注，它们展现出大反常霍尔效应、电荷密度波和配对密度波、以及正常态时间反演对称性破缺等异常现象。这些材料的物理性质主要由超导和电荷序之间的竞争与协作主导。在纯化合物研究基础上，研究者通过化学掺杂改变这两种竞争态之间的平衡，例如在CsV₃Sb₅中掺杂不同元素，已证明可有效调控电荷序和超导态。然而，无序对Kagome超导体中微观超导和正常态性质的影响尚不明确。本研究聚焦于一种新组分K(V_0.93Ta_0.07)₃Sb₅（简称Ta_0.07-KVS），其中Ta掺杂在V位点引入无序，同时抑制电荷序并提升超导转变温度T_c。扫描隧道显微镜（STM）显示，该化合物虽保持与未掺杂KV₃Sb₅相同的2×2手性电荷序，但电荷序严重无序并伴随显著漫散射。这为理解无序如何影响超导和正常态性质提供了独特契机。论文发表在《Advanced Functional Materials》。

**研究目的与结论**

研究人员通过深度分辨、磁场和压力调控的μ子自旋旋转（μSR）测量，系统研究了无序对Ta_0.07-KVS超导和正常态性质的影响。主要结论包括：尽管Ta掺杂提升了T_c，但超流密度极低，甚至低于未掺杂的KV₃Sb₅，且超导能隙变为无节点，表明无序驱动了从节点到无节点配对的交叉；适度的静水压力（~0.6 GPa）可将超流密度和T_c恢复至未掺杂化合物的最优值，说明无序并不限制最优超导态；在正常态中，无序导致电荷序温度以下出现巨大的场增强弛豫和类似居里-韦斯（Curie-Weiss）的奈特位移，指示局部矩磁性；此外，与无无序的RbV₃Sb₅和Nb掺杂的CsV₃Sb₅不同，Ta_0.07-KVS的弛豫率无深度依赖性。这些发现揭示了无序从根本上改变了轨道矩与局部矩磁性之间的相互作用，对超导和正常态磁性产生截然不同的影响。

**主要关键技术方法**

本研究采用μ子自旋旋转（μSR）技术，该技术利用100%自旋极化的μ子束注入样品，通过探测μ子衰变发射的正电子方向获取内部磁场信息。关键技术包括：零场（ZF）和纵场（LF）μSR测量（用于检测时间反演对称性破缺和静态内场）、横场（TF）μSR测量（用于获取超流密度和奈特位移）、深度分辨μSR（使用低能μ子束，能量范围1-30 keV，探测深度从几纳米到数百纳米，样本为单晶，覆盖面积2×2 cm²，排列在镍涂层板上），以及高压μSR（使用双壁压力腔，压力介质为Daphne 7373油，压力通过铟的超导跃迁确定）。所有μSR实验均在瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute）的瑞士μ子源（SμS）进行，使用GPS、HAL-9500、LEM、FLAME和GPD等仪器。样品为多晶粉末压片或单晶，来自合作者提供的生长晶体。

**研究结果**

**2 正常态**

研究人员通过零场（ZF）μSR测量发现，Ta_0.07-KVS在电荷序温度T_CO=72 K以下出现增强的指数弛豫率Γ，且该弛豫可通过施加20 mT纵场完全退耦，表明存在静态内场，证明时间反演对称性（TRS）破缺。横场（TF）μSR测量显示，在高达8 T的磁场下，弛豫率σ_TF在T_CO以下显著增强，且场效应幅度是未掺杂KV₃Sb₅的三倍（因子17 vs 6），表明无序极大增强了磁场诱导的磁响应。奈特位移（K_exp）随温度变化呈现居里-韦斯行为，与局部矩磁性一致，且与未掺杂和弱无序掺杂化合物中近温度无关的行为截然不同。深度分辨μSR测量表明，在表面（10 nm）和体相（100 nm）的弛豫率无显著差异，且无能量依赖性，与无无序RbV₃Sb₅中观察到的表面增强TRS破缺信号形成对比，说明无序抑制了深度依赖性，并引入了局部矩磁性。

**3 超导态**

TF-μSR测量显示，Ta_0.07-KVS的超流密度极低，仅为未掺杂KV₃Sb₅的一半，尽管T_c从0.9 K升至1.5 K。超导弛豫率σ_sc的温度依赖性与无节点s波模型符合良好，而节点d波模型（包括脏d波）无法拟合低温数据，表明无序驱动了从节点到无节点配对对称性的转变。在施加静水压力至0.56 GPa时，T_c升至2 K，而超流密度增加近一个数量级，且与未掺杂KV₃Sb₅的高压值一致，表明无序并不限制最优超导态，压力可恢复电子相干性和相位刚度。

**4 总结与讨论**

研究结论：无序在Kagome超导体中扮演双重角色。超导态本身在压力下具有惊人的鲁棒性，可恢复至最优态；但无序从根本上重塑了正常态磁性景观，引入局部矩并强烈增强场诱导磁响应。这种正常态的强烈修饰使得识别本征时间反演对称性破缺现象变得复杂，并强调在解释Kagome超导体中的磁信号时，需仔细区分无序诱导的磁性与本征轨道效应。可能的微观机制基于轨道电流图像：在理想Kagome晶格中，轨道电流在三角形上的循环产生净平均为零的磁场，仅产生局部弱场；无序破坏了三个子格之间的相位关系，导致轨道电流分布不均，从而在缺陷附近产生有限轨道磁矩。这一机制无需常规自旋序即可解释观察到的磁性。研究结果预期将激发对无序在Kagome材料中TRS破缺现象中作用的进一步理论理解。