近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心低功耗量子材料研究團(tuán)隊(duì)與安徽大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）超高壓物性測(cè)量系統(tǒng)與理論計(jì)算，揭示了三元層狀硒化物Bi₂Rh₃Se₂壓力下不尋常的穹頂型電荷密度波（charge density wave，CDW）相圖及其與體超導(dǎo)電性之間的新奇競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。該研究成果發(fā)表在美國物理學(xué)會(huì)期刊Physical Review B上。

CDW和超導(dǎo)電性是固體中兩種重要的集體激發(fā)現(xiàn)象，二者之間復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)和共存機(jī)制一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。許多低維結(jié)構(gòu)CDW材料在常壓下或在元素?fù)诫s、插層、外加壓力等調(diào)控手段的作用下也能夠表現(xiàn)出超導(dǎo)電性。通常，由于壓力下晶格剛度、軌道重疊或維度的增加，CDW序會(huì)被單調(diào)地削弱，最后完全消失；同時(shí)，超導(dǎo)電性會(huì)逐漸增強(qiáng)，并在鄰近CDW消失時(shí)呈現(xiàn)穹頂型壓力-超導(dǎo)相圖。近期研究也報(bào)道了一些壓力下CDW與超導(dǎo)電性之間異常演化的反常現(xiàn)象，少數(shù)材料（如過渡金屬硫?qū)倩衔?/span>VSe₂、ZrTe₃和HfTe₃）中的CDW序在壓力下會(huì)反常增強(qiáng)，而不是被抑制。然而，這些材料在常壓下均不具備體超導(dǎo)特性，其超導(dǎo)電性如何響應(yīng)CDW的反常增強(qiáng)，目前尚不清楚。

富含金屬的三元層狀硫?qū)倩衔?/span>Bi₂Rh₃Se₂為探索這種不尋常的CDW增強(qiáng)與體超導(dǎo)電性之間的相互作用提供了契機(jī)。前期研究顯示，Bi₂Rh₃Se₂在常壓下240K時(shí)發(fā)生CDW轉(zhuǎn)變，隨后在0.7K以下進(jìn)入體超導(dǎo)態(tài)；此外，CDW轉(zhuǎn)變溫度隨著壓力的增加而升高，在最高壓力~2.2GPa時(shí)超過了室溫。然而，其超導(dǎo)電性隨壓力的演化規(guī)律亟需實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步闡明。

研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合SHMFF超高壓物性測(cè)量系統(tǒng)、極低溫電輸運(yùn)和變溫拉曼光譜測(cè)量，發(fā)現(xiàn)并揭示了壓力下Bi₂Rh₃Se₂中CDW與超導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)序的新奇演化規(guī)律（圖）：CDW特性在0-12GPa范圍內(nèi)先增強(qiáng)，隨后在更高的壓力下逐漸被抑制，最終在23GPa附近消失，形成了罕見的穹頂型相圖。相比之下，超導(dǎo)電性隨壓力的增加卻呈現(xiàn)出完全相反的演化趨勢(shì)，即谷狀型超導(dǎo)相圖。詳細(xì)的理論計(jì)算表明，這種不尋常的CDW相圖源于壓力下占主導(dǎo)的費(fèi)米面嵌套的非單調(diào)變化，與次要的電-聲耦合的共同作用。在大約33GPa以上，由于結(jié)構(gòu)上從準(zhǔn)二維向三維渡越，導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度對(duì)壓力變得不敏感。

研究結(jié)果表明，層狀Bi₂Rh₃Se₂中壓力驅(qū)動(dòng)的穹頂型CDW與反關(guān)聯(lián)的超導(dǎo)電性同時(shí)存在，這為理解量子材料中CDW和體超導(dǎo)之間的反常競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制提供了新視角，對(duì)量子材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。

強(qiáng)磁場(chǎng)中心博士生焦飛和李嘉陽為論文共同第一作者，楊昭榮研究員、周永惠副研究員及郝寧研究員為共同通訊作者。強(qiáng)磁場(chǎng)中心陳緒亮副研究員與王舒陽博士后，安徽大學(xué)熊奕敏教授及安超副教授等，上海同步輻射光源張麗麗博士為論文合作作者。該項(xiàng)研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院建制化科研項(xiàng)目、安徽省重大專項(xiàng)等的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.195160

圖層狀化合物Bi₂Rh₃Se₂中電荷序(CDW)與超導(dǎo)(SC)競(jìng)爭(zhēng)序的壓力調(diào)控相圖。