“魔角”晶格中的多粒子干涉现象

当代凝聚态物理的核心目标是通过电子关联合理设计相互作用的电子相和涌现的合作量子现象。实现对电子行为的精细控制，超越传统能带结构工程，有望解锁新奇的响应功能并推动未来技术发展，尤其是利用量子相干性的技术。一种策略是通过构建电子路径发生相消干涉的量子材料，来抑制电子的动能，从而实现电子的有效局域化，这一原理是“平带系统”（如魔角双层石墨烯）物理的基础，人们也将注意力转向了其他支持受挫量子路径的晶格结构，如Lieb晶格和kagome晶格（一种形似传统日本 kagome编织的格子结构）。

层状kagome超导体CsV3Sb5（超导临界温度Tc≈2.8K）因其交织的电子态而备受关注。它在TCDW≈94K时出现电荷序，且与Tc呈反相关。尽管一些研究表明其超导性非常规，但这仍存在争议。或许最引人关注的未解问题是在中等温度尺度T'≈30K时电子基态发生的神秘变化，多种实验手段已证实了这一点。这种低温态的微观本质及其是否存在对称性破缺仍未解决。一个重要假设是出现了持续的轨道电流，通常被描述为在kagome格子的基本单元（plaquette）内循环的环电流。基于隧道显微镜的研究报道了在有效手性电子系统中，由面外磁场驱动的离散且亚稳态的可切换性，证实了低温下存在具有历史依赖性的电子态。

本文呈现的实验证据表明，在T'以下出现的态具有长程电子相干性，并直接参与相干的面外电荷输运。这种相干性通过在跨越数微米的宏观距离上持续存在且在T'以下保持稳健的干涉效应体现出来。磁电阻测量中观察到的干涉图样证实，该态积极参与电荷输运。此外，振荡频率的面内角度依赖性表现出显著的切换行为，凸显了其难以用纯单粒子框架解释的非平凡起源。这些发现共同指向一种宏观相干的集体电子态，其相干特性让人联想到超导态，但不存在无耗散的凝聚体。

本研究的核心观察结果是在微米级柱状样品（可有效视为kagome平面的宏观堆叠）的层间磁电导中出现了磁场周期性振荡。电流沿柱状轴（垂直于kagome层）施加，而磁场B沿面内垂直于样品表面的方向。在2K及高于超导上临界场Hc2时，磁电阻（材料电阻在磁场中变化的现象）呈现超线性增加，并叠加有明显的磁场周期性振荡。这些振荡在较高磁场下仍然存在，但逐渐合并为1/B周期性的舒布尼科夫-德哈斯振荡，最终在高场区域难以区分。

振荡周期ΔB由相邻kagome层间穿过单个磁通量子（磁通量的基本单位）所需的磁场唯一确定，满足关系ΔB·w·c=h/e≡Φ0，其中c≈9Å是原子尺度的层间距，w是宏观的器件宽度（1-3μm）。与反映材料费米面和化学势的舒布尼科夫-德哈斯振荡不同，h/e周期除层间距外几乎与材料细节无关，表明其具有普适的标度关系。这一观察结果直接证明电子系统对大于3μm的宏观距离上的面内限制敏感。

CsV3Sb5中的这一观察依赖于两项近期的方法学进展：一是通过聚焦离子束（FIB）加工从片状单晶雕刻出沿c方向排列的柱状样品，以实现对大量相同kagome层的信号平均；二是由于CsV3Sb5对 strain（应变）异常敏感，通过将器件悬浮在柔软的SiNx膜上实现机械解耦，避免衬底热失配带来的非故意应变。

值得注意的是，相关磁通量由相邻kagome层的间距决定，而非电荷序重构的晶体学单胞。尽管在TCDW以下层间周期性转变为双层或四层超结构，但测量明确表明最近邻层间距是相关长度尺度，说明观察到的振荡对电荷序态的能带结构细节不敏感。

当磁场在kagome平面内旋转时，振荡行为出现显著的不连续性。在低角度下，量子干涉过程仍计数层间磁通量子，周期按Φ(φ)=Φ0cos(φ)变化；但在φ=45°时，振荡周期发生不连续跳变；进一步倾斜至φ=90°时，周期再次遵循cos(φ)-1标度，此时有效宽度对应较短的侧壁。这种不连续切换与干涉过程的平滑磁通调谐形成鲜明对比，表明存在长程相干的多体态，需要表面间的相干通信和非局域耦合。

为理解观察到的磁场周期性振荡，需排除单粒子输运机制。CsV3Sb5的输运平均自由程约为500nm（通过不同方法估算），远小于振荡持续的3μm长度尺度，即使在样品尺寸超过平均自由程10倍的低质量晶体中，振荡仍存在，排除了半经典弹道输运。量子相干机制（如Aharonov-Bohm效应）虽依赖相位相干，但CsV3Sb5的量子平均自由程约200nm且随温度快速减小，加之强电子-声子耦合，相干量子扩散也难以成立。

单粒子模型无法解释观察结果，因此需考虑相干多体态。当磁场倾斜出kagome平面（θ=0°）时，仅θ=5°的小偏角就足以完全抑制振荡，这与单粒子过程仅敏感于磁通投影分量的预期不符，而与层状超导体中涡旋磁通振荡的尖锐角度依赖性相似，暗示多体波函数可能存在类似涡旋的相位旋转。

振荡的h/e周期性反映了态的相干性，但不能确定激发的电荷。其温度依赖性（振幅在10K以下几乎恒定，25K左右衰减至噪声水平）与多种实验探针在T'≈30K以下的行为一致，表明长程相干性源于较高温度（可能达TCDW）的涨落、非相干多体态。振幅随面外磁场旋转的抑制与先前报道的可切换手性输运完全匹配。

综上，T'处的转变标志着较高温度下多体态长程相干性的开始。该态对微米尺度的限制几何和形状以及三维晶体结构的整体旋转对称性敏感，通过其相位刚度参与电荷输运，与超导态（唯一已知的长程相干 itinerant态）有相似之处，但具有耗散性且非超导，与层状超导体（如铜基超导体中的约瑟夫森等离子体耦合）有显著相似性。非相干组元的可能候选包括轨道环电流、激子或耦合的电荷-自旋关联。隧道显微镜已发现T'处电荷密度波能隙中存在相干的单向态，这可能是相干体相的体现或多体涨落凝聚为有序态的残留，而超导性可能从中发展而来。

CsV3Sb5常态下相干电荷输运的发现为关联量子物质研究开辟了新前沿，不仅阐明了kagome金属中的中间温度态，还提出了通过几何、受挫或相互作用驱动机制实现相干性的设计原则。除基础研究意义外，无需超导的相干输运可能为在高温或无需超导的条件下开发量子干涉器件提供新途径，并为CsV3Sb5低能物理的微观模型提供了严格约束，确立了kagome金属作为探索新型相干电子态的沃土。