近日，中國科學院合肥物質院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊與安徽大學研究團隊合作，依托穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）超高壓物性測量系統與理論計算，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）相圖及其與體超導電性之間的新奇競爭現象。該研究成果發表在美國物理學會期刊Physical Review B上。

CDW和超導電性是固體中兩種重要的集體激發現象，二者之間復雜的競爭和共存機制一直是凝聚態物理學領域的研究熱點。許多低維結構CDW材料在常壓下或在元素摻雜、插層、外加壓力等調控手段的作用下也能夠表現出超導電性。通常，由于壓力下晶格剛度、軌道重疊或維度的增加，CDW序會被單調地削弱，最后完全消失；同時，超導電性會逐漸增強，并在鄰近CDW消失時呈現穹頂型壓力-超導相圖。近期研究也報道了一些壓力下CDW與超導電性之間異常演化的反常現象，少數材料（如過渡金屬硫屬化合物VSe₂、ZrTe₃和HfTe₃）中的CDW序在壓力下會反常增強，而不是被抑制。然而，這些材料在常壓下均不具備體超導特性，其超導電性如何響應CDW的反常增強，目前尚不清楚。

富含金屬的三元層狀硫屬化合物Bi₂Rh₃Se₂為探索這種不尋常的CDW增強與體超導電性之間的相互作用提供了契機。前期研究顯示，Bi₂Rh₃Se₂在常壓下240K時發生CDW轉變，隨后在0.7K以下進入體超導態；此外，CDW轉變溫度隨著壓力的增加而升高，在最高壓力~2.2GPa時超過了室溫。然而，其超導電性隨壓力的演化規律亟需實驗進一步闡明。

研究團隊通過結合SHMFF超高壓物性測量系統、極低溫電輸運和變溫拉曼光譜測量，發現并揭示了壓力下Bi₂Rh₃Se₂中CDW與超導競爭序的新奇演化規律（圖）：CDW特性在0-12GPa范圍內先增強，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，超導電性隨壓力的增加卻呈現出完全相反的演化趨勢，即谷狀型超導相圖。詳細的理論計算表明，這種不尋常的CDW相圖源于壓力下占主導的費米面嵌套的非單調變化，與次要的電-聲耦合的共同作用。在大約33GPa以上，由于結構上從準二維向三維渡越，導致超導轉變溫度對壓力變得不敏感。

研究結果表明，層狀Bi₂Rh₃Se₂中壓力驅動的穹頂型CDW與反關聯的超導電性同時存在，這為理解量子材料中CDW和體超導之間的反常競爭機制提供了新視角，對量子材料設計和應用具有重要意義。

強磁場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。強磁場中心陳緒亮副研究員與王舒陽博士后，安徽大學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。該項研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院建制化科研項目、安徽省重大專項等的資助。

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(SC)競爭序的壓力調控相圖。