[論文レビュー] Charge-Density-Waves Tuned by Crystal Symmetry

A. Gallo–Frantz, A. A. Sinchenko+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、TbTe₃における両軸ひずみが、a/c格子定数比の増加に伴い、電荷密度波（CDW）の配向がc軸からa軸へ reversible に切り替わることを示している。a/c = 1.000付近に共存領域が存在する。この遷移は、ひずみによって引き起こされるCDW転移温度Tcの変化に起因し、Tcはa/cに対して線形に変化し、2次元タイトバインディングモデルにより定量的に説明可能であり、RTe₃系における結晶対称性と電子秩序の直接的な関係を明らかにした。

ABSTRACT

The electronic orders appearing in condensed matter systems are originating from the precise arrangement of atoms constituting the crystal as well as their nature. This teneous relationship can lead to highly different phases in condensed matter, and drive electronic phase transitions. Here, we show that a very slight deformation of the crystal structure of TbTe$_3$ can have a dramatic influence on the electronic order that is stabilized. In particular, we show that the Charge Density Wave (CDW) developping along the $\vec{c}$ axis in the pristine state, switches to an orientation along $\vec{a}$ when the naturally orthorhombic system is turned into a tetragonal system. This is achieved by performing true biaxial mechanical deformation of a TbTe$_3$ sample from 250K to 375K, and by measuring both structural and electronic parameters with x-ray diffraction and transport measurements. We show that this switching transition is driven by the tetragonality parameter $a/c$, and that the transition occurs for $a=c$, with a coexistence region for $0.9985< a/c < 1.002$. The CDW transition temperature $T_c$ is found to have a linear dependence with $a/c$, with no saturation in the deformed states investigated here, while the gap saturates out of the coexistence region. The linear dependence of $T_c$ is accounted for within a tight-binding model. Our results question the relationship between the gap and $T_c$ in RTe$_3$ systems. More generally, our method of applying true biaxial deformation at cryogenic temperatures can be applied to many systems displaying electronic phase transitions, and opens a new route towards the study of coexisting or competing electronic orders in condensed matter.

研究の動機と目的

• TbTe₃における電荷密度波（CDW）の配向が、結晶対称性、特にa/c格子定数比によってどのように制御されるかを調査すること。
• 機械的ひずみが準2次元量子材料における電子相転移をどのように駆動するかを調査すること。
• RTe₃化合物における構造的変形とCDW転移温度Tcとの間の直接的かつ定量的な関係を確立すること。
• さまざまな格子対称性下でのCDWギャップとTcの関係を検討し、従来の仮定に疑問を呈すること。
• 低温における両軸ひずみ変形装置を開発・適用し、構造的および電子的応答をリアルタイムでモニタリング可能なイン・サイトXRDおよび抵抗率測定を可能とすること。

提案手法

• 両軸引張ひずみを、ポリイミドの十字形基板を介してaおよびc結晶方位に力がかかるように、独自に設計された装置を用いてTbTe₃結晶に印加した。
• 構造的パラメータ（CDW衛星ピーク強度、格子定数aおよびc）を測定するため、イン・サイトX線回折（XRD）を用い、変形中のa/c比を追跡した。
• CDW形成および配向を抵抗率の異常を検出するために、aおよびc方向に4端子抵抗率測定を実施した。
• さまざまなひずみ条件下での温度依存性抵抗率曲線から、CDW転移温度Tcを抽出した。
• 電子間相互作用および電子-格子波動相互作用を含む2次元タイトバインディングモデルを用い、Tcのa/c比に依存する線形依存性を説明した。スクリーニングされたクーロン相互作用U(Q)およびリンダール感受率χ(T,Q)を組み込んだ。
• TbTe₃のパラメータ（t∥ ≈ 2 eV、t⊥ ≈ 0.37 eV、EF ≈ 1.48 eV、ζ ≈ 0.23 Å⁻¹）を用いて、χ(T,Q₀)およびその温度微分を理論計算し、Tcのひずみに対する感受度を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御されたa/c比を有する両軸機械的ひずみが、TbTe₃における電荷密度波の配向にどのように影響するか？
• RQ2 ひずみを加えたTbTe₃において、CDW転移温度Tcと格子定数比a/cとの間の定量的関係は何か？
• RQ3 Tcが引き続き増加する中でCDWギャップが飽和するのか、そしてこれはRTe₃系におけるTc-ギャップ関係に何を示唆するのか？
• RQ4 スクリーニングされたクーロン相互作用を含む2次元タイトバインディングモデルが、観測された線形Tc(a/c)依存性を定量的に説明できるか？
• RQ5 正方対称点（a/c = 1）における電子状態の性質は何か？また、aおよびc方向に共存するCDW秩序を支持するか？

主な発見

• a/c比の増加に伴い、CDW配向がc軸からa軸へ連続的に切り替わる。0.9985 < a/c < 1.002の範囲に共存領域が存在する。
• CDW転移温度Tcはa/c比に対して線形に変化し、a/c = 1.000で最小値を示す。a格子定数が0.2%増加すると、Tcは約20 K増加する。
• Tcのa/c比依存性は、スクリーニングされたクーロン相互作用およびリンダール感受率を含む2次元タイトバインディングモデルにより定量的に説明可能であり、理論的δTc/δa ≈ 0.1%ひずみあたり26 Kの値が得られ、実験結果と良好に一致する。
• aまたはc方向に純粋なCDW相がある場合、CDWギャップは飽和するが、Tcはひずみに伴い引き続き増加するため、RTe₃系ではギャップとTcの間の分離が生じていることが示唆される。
• a/c = 1.000で、TcxとTcyが等しくなるデゲネレート状態となり、両方向に共存するCDW秩序と強化された揺らぎが生じる。
• 本研究では、低温における真の両軸ひずみが、電子秩序の精密なチューニングを可能にし、量子材料における競合的または共存的電子相を探索するための新たなプラットフォームを提供することを示した。