近日，我校物理学院青年学者鲍金科副教授、徐陈超副研究员与浙江大学曹光旱研究组、中国科学院物理研究所程金光和周睿等多个研究组合作，在笼目晶格材料研究中取得重要进展。相关成果以题为“Superconductivity under pressure in a chromium-based kagome metal”发表于综合类顶级期刊Nature。
研究团队首次合成了由铬原子笼目结构组成的化合物CsCr3Sb5，揭示其自旋/电荷密度波基态，并通过施加压力抑制其密度波序而实现超导电性。CsCr3Sb5极有可能是一类有特色的非常规超导体体系，提供了强关联笼目结构中超导电性的范例。我校2013届校友、浙江大学/浙江工业大学刘艺博士，中国科学院物理研究所刘子儀副研究员，我校鲍金科副教授为论文的共同第一作者，浙江大学物理学院为论文的第一单位，杭州师范大学物理学院为合作单位。
超导电性研究是凝聚态物理的重要研究方向之一，由于其呈现出零电阻和完全抗磁性两大特性，具有巨大的应用潜力。常规超导电性的机理可以用BCS理论来相对完美的阐释，而非常规超导电性尤其是高温超导电性的机理问题是凝聚态物理悬而未决的难题，被Science期刊列为125个未解决的重要科学问题之一，也成为凝聚态物理领域的研究话题。
理论预言，原子排列具有“笼目”晶格结构的材料有可能产生特殊的电子行为和磁学性质，为超导研究带来新的思路。所谓笼目晶格，其原型就是编织篮中六芒星型的编织图案，一种六角晶格。由于特殊的几何结构，其基态可展现出自旋阻挫、拓扑电子态、量子自旋液体、电荷密度波、超导等特性，是实现新量子态及调控的理想平台。近年来在实验上合成了钒基笼目金属体系AV3Sb5（A= K、Rb、Cs）并观察到超导电性、手性电荷序、配对密度波、反常霍尔效应等丰富物理现象，成为当前凝聚态物理领域的前沿热点。但之前发现的钒基笼目材料的超导电性的来源仍可用常规超导机理来解释。
图1 CsCr3Sb5的晶体结构，晶体形貌以及电阻、比热、磁化率和高场核磁共振谱的结果
研究团队经过长期实验摸索，通过大幅改变助溶剂配比，成功生长出一个全新的铬基笼目超导母体CsCr3Sb5。这种材料不仅具有独特的电子性质和磁学特性，而且在施加压力的条件下，能够呈现超导电性。
CsCr3Sb5的晶体结构由 [Cr3Sb5]和Cs+离子交替堆垛而成，其中[Cr3Sb5]层是一个三明治结构：铬（Cr）原子组成一个笼目晶格，一部分锑（Sb）原子镶嵌在笼目晶格的六边形空隙中，另一部分锑原子在笼目晶格的上下各形成一个蜂窝晶格。
研究人员通过对CsCr3Sb5单晶进行电阻、比热和磁化率测试，发现该新材料不同于钒基笼目体系，常压下在55 K左右存在一个相变，该相变涉及到反铁磁/自旋密度波序的形成。
图2 CsCr3Sb5低温下调制结构的衍射图，实空间中的超胞和倒易空间中衍射点的孪晶畴示意图
进一步的低温单晶X射线在相变以后呈现多晶畴单轴4a0的结构调制，晶体对称性从六方降低到单斜，表明磁相变和晶格结构存在较强的耦合。晶体结构的结构调制往往意味着电荷密度波的出现，因此，CsCr3Sb5极有可能是一个自旋密度波和电荷密度波交织共存的体系。
物理压力被证实是一种干净和有效的手段来实现材料基态的调制。在国家重大科技基础设施——北京怀柔科学城的综合极端条件实验室里，随着压力的增加，CsCr3Sb5在六面顶压砧腔内，55 K的相变首先劈裂成两个，然后逐渐被抑制，直至出现超导电性，在更高压力下，超导电性又消失，整个相图呈现出穹顶状。在最高超导转变温度的压力区间，物理参量呈现出发散的行为，表明量子临界点的存在，同时体系的正常态呈现出非费米液体（奇异金属）行为。上述超导相图类似于其他典型的非常规超导家族，表明CsCr3Sb5极有可能是一类全新的非常规超导体。
发文当天，Nature杂志专门邀请了德国维尔茨堡大学的Giorgio Sangiovann教授以“Superconductor surprises with strong correlations”为题撰写文章，对这项研究的重要性和创新性进行了评论。该文章指出这个工作可能代表着物理学家对于笼目体系的量子多体物理思考模式改变的转折点，开拓了笼目结构材料体系的研究广度，将在研究强关联电子系统的物理学家中产生重大的影响。
对于鲍金科而言，这项研究还将继续。“我们还将进一步展开关于这个材料基态密度波的构型、超导态的配对对称性、新型其他相关笼目材料的探索研究。”
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作为一名一直从事凝聚态物理研究的青年学者，鲍金科2015年自浙江大学物理系博士毕业后，在导师曹光旱教授的影响下，与超导研究结下了不解之缘。他相继在美国阿贡国家实验室、德国的拜罗伊特大学进行学术研究，至今已经在Phys. Rev. X, J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. B, Adv. Mater.等期刊发表文章88篇，其中第一（共一）/通讯作者的文章18篇，总被引用2000多次，参与的科研项目《若干新型低维超导体的发现》获教育部科技奖二等奖。
“2008年Science杂志以‘新超导体将中国超导物理学家推到最前沿’为题发表了评论文章，指出中国如洪流般涌现的结果，标志着中国在凝聚态物理领域逐渐成为一个强国。”鲍金科介绍，2021年，工信部联合科技部、自然资源部发布的《“十四五”原材料工业发展规划》提出，实施前沿材料前瞻布局行动，把握新材料技术与信息技术、纳米技术、智能技术等融合发展趋势，发展超导材料、智能仿生、增材制造材料等，推动新的主干材料体系化发展，强化应用领域的支持和引导。这在业界视为明确了超导材料在我国现代产业中的定位。
“耳濡目染着师长们对科学研究的热情与执着，对推进科技进步的坚定信念，促使我不断成长，努力产出更好的研究成果。”鲍金科说，杭师大为他提供了一个良好的成长环境，“我是去年加入杭师大的，但是之前做了很长时间的功课。学校对于新引进教师的支持政策、学院的特色资源和良好氛围，很有吸引力。我和学院的王杭栋、李玉科、戴建辉老师都有过合作，建立了较好的合作基础。物理学院有一个杭州市量子物质调控重点实验室，这能较好地满足我的研究需要。”
“鲍老师是我们很早就关注到的人才，他在博士期间就在奇异超导材料方面做出了成果。在他整个求学和博后过程中，物理学院一直与他保持联系，希望引进他。他回国后学院又主动和他沟通，终于在2023年把他引进到杭师大工作。”物理学院院长侯红生说，“物理学院近三年引进了一批年轻教师，这些年轻教师都在某个方向具有学术专长，学科基础扎实、科学思想活跃，并积极与众多科学家开展合作，如这次Nature论文就是鲍老师和浙江大学等众多团队合作的突出成果。学院的杨泽超老师在快速隧道扫描显微镜领域有特长，去年他第一次申请国家基金面上项目即获得资助，还获得了杭州大走廊杯科技创新竞赛铜奖。高俊文老师第一年来到学校就在一流期刊上发表3篇论文，并获得了国家基金面上项目资助……这些都极大地提升了学院的科研活力。”
物理学院党委书记何军表示，学院围绕科研兴院、科研强院的战略方针，坚持“内培与外引并举”的原则，着力优化师资队伍结构，调动教师科研积极性，为教师营造了良好的成长环境。“我们将进一步完善教师成长服务体系，为他们搭好台、加好油、鼓好劲，助力他们成长为各自领域的佼佼者。”
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