笼目晶格（kagome）材料具有独特的共顶点三角形二维网格，从而呈现几何阻挫、平带、狄拉克交点，范霍夫奇异点、拓扑能带以及子晶格量子干涉效应等特征，孕育了丰富的量子物态。基于过渡金属的笼目晶格化合物，是探索几何阻挫、关联效应、磁性及拓扑等丰富物理性质的重要材料体系。近年来笼目金属AV₃Sb₅(A=K, Rb, Cs)中涌现出丰富的量子物性，其非常规电荷密度波与超导竞争，并与多种对称性破缺（空间平移对称性、空间旋转对称性和时间反演对称性等）相互交缠。因此探索合成全新的、没有电荷密度波序的笼目超导材料，在研究电子关联、对称性破缺以及拓扑量子物态方面具有重要意义。
图：CsTi₃Bi₅的晶体结构示意图、超导电性研究、超导和正常态时的旋转对称性破缺
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士带领的联合研究团队对新型笼目材料的创制及其物性进行了探索研究。杨海涛研究员和博士生赵振经过大量摸索，成功合成出全新的钛基笼目超导体CsTi₃Bi₅（CTB）；中国科学院大学（国科大）周武教授等对样品原子结构进行了扫描透射电子显微学分析；中国科学院物理所董晓莉研究员、博士生刘家利和张宇航等进行了宏观物性测量；博士生耶郁晗和陈辉副研究员等利用极低温-强磁场扫描隧道显微镜/谱研究了该体系的超导能隙与对称性破缺电子态；美国波士顿学院Ziqiang Wang（汪自强）教授、国科大苏刚教授和博士生易鑫伟等开展了相关理论研究。他们发现：1）在超导态下，CTB表面展现出两种类型的能隙特征，约瑟夫森扫描隧道谱进一步证实能隙起源于其超导电性；2）两种超导能隙均在面内磁场下呈现出二重对称而非晶格的六重对称，体现了超导态具旋转对称性破缺的特性。3）在正常态，CTB的形貌呈现出与晶体结构相匹配的六重对称性，但其准粒子干涉图样呈现出二重旋转对称性，极轴的极大值方向与超导能隙极轴的极大值方向一致，揭示了CTB中内禀的电子向列相。
该研究成果成功地创制了全新钛基笼目超导体CsTi₃Bi₅材料，发现了其超导电性和旋转对称性破缺的电子向列相，表明该CTB笼目材料在超导、拓扑、电荷序等丰富的物性方面具有巨大的研究潜力，对超导配对机制、超导电性和旋转对称性破缺之间的关联具有重要意义。
相关成果以“Superconductivity and nematic order in a new titanium-based kagome metal CsTi₃ Bi₅ without charge density wave order” 为题发表于Nature Communications15, 9626 (2024)。本工作受到科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目和中国科学院的资助。
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