《Scientific Reports》：Transport anomalies and lattice effects in superconducting Nb-doped Bi\(\vphantom{0}_2\) Se\(\vphantom{0}_3\)
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拓扑材料中对称性破缺序之间的相互作用决定了其奇异量子态。研究人员对Nb掺杂Bi?Se?（掺杂水平x，0≤x≤0.4）进行了输运、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）和电子衍射（electron diffraction）的联合
拓扑材料中对称性破缺序之间的相互作用决定了其奇异量子态。研究人员对Nb掺杂Bi?Se?（掺杂水平x，0≤x≤0.4）进行了输运、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）和电子衍射（electron diffraction）的联合研究。电子衍射揭示了超晶格特征和周期性晶格畸变，伴随150～200 K之间显著的电阻率异常以及该温度以下的NMR线宽增加，与温度驱动的晶格和电子不稳定性一致。电阻率异常随标称Nb浓度x变化，并与低温超导共存。尽管其微观起源尚未解决，研究人员的观察揭示了竞争性可能性，包括电荷有序（charge ordering）、结构无序和冻结晶格畸变，突显了该体系中结构与电子态之间丰富的相互作用。研究结果将Nb?Bi?Se?定位为研究拓扑材料中电子与结构现象交织的可调平台。
拓扑材料中对称性破缺序之间的相互作用决定了其奇异量子态。电荷密度波（charge density wave，CDW）与非常规超导的关联是凝聚态物理核心课题，二者均涉及电子-声子相互作用并导致对称性破缺。此前研究已在层状二硫属化物中观察到这一关联，费米面拓扑起关键作用。近年来，Cu、Nb、Sr等插层拓扑绝缘体Bi?Se?中观察到对称性破缺，引发对其潜在拓扑超导性的兴趣。第一性原理计算和中子衍射研究提出，这类材料中的非常规超导可能由沿Γz方向的强费米面嵌套导致的声子奇异性所驱动。尽管理论和实验均预期Nb插层Bi?Se?中可能出现电荷有序或电荷密度波态，但此前缺乏输运、光谱和微观探针（如核磁共振NMR）同时证实的明确电荷有序转变，阻碍了对电荷序、对称性破缺与超导关系的深入理解。为此，研究人员对Nb?Bi?Se?（x=0～0.4）开展了系统的输运、核磁共振和电子衍射联合研究。
研究人员通过自助熔剂法合成不同标称Nb浓度的单晶样品，并在高温淬火后获得目标相；利用选区电子衍射（selected area electron diffraction，SAED）表征结构，采用四探针法测量电阻率，使用超导量子干涉仪（superconducting quantum interference device，SQUID）磁强计测量直流磁化率，并对Nb?.??Bi?Se?单晶进行2??Bi核磁共振测量。研究发现，所有样品在150–200 K区间出现明显的电阻率异常，该异常与SAED中观察到的超晶格反射和漫散射条纹相关，表明存在周期晶格畸变和晶格不稳定性。随着温度降至异常温度T_anom以下，2??Bi NMR谱线出现约30%的展宽，表明电场梯度分布发生变化。低温下，掺杂样品出现超导转变，T_c从约1.9 K升高至3.5 K，直流磁化率确认了体超导性。
研究结果分为三个部分。在“Crystal structure and Nb doping”方面，晶体结构分析显示，Nb原子优先占据范德瓦尔斯间隙中的插层位，破坏原有ABC堆垛顺序，引入周期堆垛层错；SAED中出现的2/3阶禁戒反射和卫星斑证实了对称性破缺和超晶格形成。在“Emergent electronic and magnetic states”方面，输运数据表明，电阻率异常温度T_anom（通过dρ/dT最小值确定）随标称Nb浓度变化，并与超导转变温度T_c呈类似穹顶状依赖；x=0.15和x=0.20样品的超导起始温度分别约为2.74 K和3.29 K，且x=0.15样品具有更高的超导体积分数。在“Microscopic origin probed by NMR”方面，2??Bi NMR谱在T_anom以下出现均匀线宽展宽，且展宽程度与卫星跃迁指数有关，表明Bi核感受到的局域环境分布发生变化，与电子异常态导致的电场梯度分布一致。
讨论部分指出，这些现象共同表明晶格与电子不稳定性相互耦合，其起源与淬火控制的插层动力学密切相关。快速淬火冻结了非平衡掺杂构型，掺杂原子既调节电荷密度，又沿c轴引入畸变，从而同时影响电子结构和晶格结构。已知杂质相如NbSe?和NbSe?的特征转变温度与实验数据不符，且T_anom和T_c随掺杂的系统变化排除了杂质起源。电子异常与超导在低掺杂时同时增强、高掺杂时同时被抑制，暗示二者具有共同的结构起源而非直接竞争。研究还提出，未来可通过温度依赖SAED或X射线衍射以及低温NMR实验来进一步确定异常态微观本质。
结论部分翻译为：研究人员报道了在Nb?Bi?Se?（0.0≤x≤0.4）中观察到输运异常及其与掺杂样品（x>0）中超导的共存。该电子异常出现在150–200 K之间（本征Bi?Se?中约140 K），伴随显著的电阻率斜率变化、室温SAED超晶格反射以及T_anom以下的特征NMR线宽增加，这三个特征共同指向电子和晶格同时不稳定性。值得注意的是，T_anom和T_c均表现出几乎一致的随Nb含量的穹顶状依赖。二者在低掺杂时同时上升，在较高x时相互抑制，表明对插层诱导的c轴晶格畸变具有共同的结构敏感性，而非简单的竞争关系。尽管电荷有序或冻结晶格畸变等候选机制仍在考量中，该异常的微观起源尚未完全解决。然而，这些结果确立了Nb?Bi?Se?作为研究拓扑背景下电子与结构自由度相互作用的理想平台。
