[論文レビュー] Anomalous transport and chiral charge order in kagome superconductor CsV3Sb5

Zhiwei Wang, Yu-Xiao Jiang+18 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、単結晶成長、輸送測定、走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、カグラム超伝導体CsV3Sb5における異常輸送およびキラル電荷秩序の特性を調査した。2×2の電荷秩序が内在的キラリティを示し、特異なホール応答と関連していることが特定され、1×4の表面スーパーラティスが観察され、c軸磁場下でボルテックスコアの拘束状態を伴う超伝導ギャップ2Δ = 0.85 meVが確認され、クリーン限界超伝導性が示された。

ABSTRACT

Kagome superconductors with TC up to 7K have been discovered over 40 years. In this work, we report our crystal growth, transport, and scanning tunneling microscopy (STM) study of the kagome superconductor CsV3Sb5. We have grown large single crystals, which show transport behaviors including a charge order below 90K with an unusual Hall response, and superconductivity below 2.5K. A fundamental kagome lattice model often predicts a 2x2 charge order. STM study at 4.2K confirms the 2x2 charge order and reveals additional 1x4 superlattices. On defect-free areas, the 2x2 charge order displays intrinsic chirality that can be related to the unusual Hall response, while defects can induce extrinsic effects. The 1x4 superlattices form various small domains, and are likely of surface origin whose relationship with the underlying kagome lattice is unclear. STM study at 0.4K reveals a superconducting energy gap with a gap size 2{\Delta}=0.85meV, which estimates a moderate superconductivity coupling strength with 2{\Delta}/kBTC=3.9. When further applying a c-axis magnetic field, vortex core bound states are observed within this gap, indicative of clean-limit superconductivity. Finally, we discuss the tantalizing relevance of the chiral kagome charge order with Haldane model and Varma model for orbital currents.

研究の動機と目的

• 詳細な輸送および分光的分析を可能にする高品質な単結晶を、カグラム超伝導体CsV3Sb5から成長させること。
• CsV3Sb5において90 K未満で観察される異常ホール応答の起源を解明すること。
• STM画像で観察された1×4スーパーラティスの性質と起源を特定すること。
• 低温STMを用いてクリーン限界における超伝導ギャップおよびボルテックスコア状態を特徴づけること。
• キラル電荷秩序とハルデーンモデルやヴァルマモデルなどの理論的モデルとの関連を検討すること。

提案手法

• 高品質で欠陥密度が低い単結晶を確保するため、フラックス法を用いたCsV3Sb5の大口径単結晶成長。
• ~90 Kでの電荷秩序転移および~2.5 Kでの超伝導転移を調べる低温輸送測定。
• 4.2 Kおよび0.4 Kでの走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、電荷秩序のパターンと超伝導ギャップ構造を像像化。
• 空間的に分解能の高い分光測定を分析し、c軸磁場下での超伝導ギャップ内におけるボルテックスコアの拘束状態を観察し、超伝導ギャップサイズを抽出。
• kagome格子モデルおよびハルデーン・ヴァルマモデルなどの理論枠組みに基づく予測と、観察された電荷秩序パターンを比較。
• 欠陥のない領域における内在的キラル電荷秩序と、欠陥によって誘発される外部的効果の区別。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5において90 K未満で観察される特異なホール応答の起源は何か？
• RQ2 STM画像で観察された1×4スーパーラティスは、基礎となるkagome格子および2×2電荷秩序とどのように関連しているか？
• RQ3 CsV3Sb5における2×2電荷秩序は内在的にキラルであるか？ もしそうならば、異常ホール効果とどのように関連しているか？
• RQ4 CsV3Sb5における超伝導ギャップサイズおよび対縮小強度は何か？ また、クリーン限界超伝導性を示すか？
• RQ5 キラル電荷秩序は、ハルデーンモデルやヴァルマの軌道電流モデルなどの理論モデルと結びつけることができるか？

主な発見

• 4.2 KでのSTMにより2×2電荷秩序が確認され、欠陥のない領域で観察された内在的キラリティが異常ホール応答と相関している。
• 1×4スーパーラティスは小さなドメインとして観察され、表面由来の可能性が高く、基礎となるkagome格子とは明確な関連性がない。
• 0.4 Kで測定された超伝導ギャップは2Δ = 0.85 meVであり、中程度の結合強度を示し、2Δ/kBTC = 3.9に相当する。
• c軸磁場を印加することで、超伝導ギャップ内にボルテックスコアの拘束状態が確認され、クリーン限界超伝導性が裏付けられた。
• 2×2電荷秩序のキラル性は、ハルデーンモデルやヴァルマの軌道電流モデルとの関連を示唆し、kagome材料におけるトポロジカルな現象の理解への道筋を示している。
• 欠陥は電荷秩序に外部的効果を引き起こし、純粋な領域における内在的キラル秩序とは明確に区別される。