[論文レビュー] Colossal c-axis response and lack of rotational symmetry breaking within the kagome plane of the CsV$_3$Sb$_5$ superconductor

Mehdi Frachet, Liran Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、カゴメ面内の回転対称性の破れの兆候がない中で、CsV₃Sb₅における電荷密度波（CDW）状態がc軸方向の歪みに対して巨視的応答を示すことが明らかになった。CDW相では、電子-電子散乱によって駆動される強く増幅されたA₁g対称性の弾性抵抗が観測され、超伝導とCDWの間で強い競合がc軸の調整によって生じており、c軸がこのカゴメ超伝導体における電子的不安定性の主な制御パラメータであることが示唆された。

ABSTRACT

The kagome materials AV4$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs) host an intriguing interplay between unconventional superconductivity and charge-density-waves. Here, we investigate CsV$_3$Sb$_5$ by combining high-resolution thermal-expansion, heat-capacity and electrical resistance under strain measurements. We directly unveil that the superconducting and charge-ordered states strongly compete, and that this competition is dramatically influenced by tuning the crystallographic c-axis. In addition, we report the absence of additional bulk phase transitions within the charge-ordered state, notably associated with rotational symmetry-breaking within the kagome planes. This suggests that any breaking of the C$_6$ invariance occurs via different stacking of C$_6$-symmetric kagome patterns. Finally, we find that the charge-density-wave phase exhibits an enhanced A$_{1g}$-symmetric elastoresistance coefficient, whose large increase at low temperature is driven by electronic degrees of freedom.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅における歪み下での超伝導と電荷密度波（CDW）秩序の相関を調査すること。
• CDW状態がカゴメ面内で六重回転対称性（C₆）を破るかどうかを、熱力学的および弾性抵抗測定により特定すること。
• CDW相における大きな弾性抵抗応答の起源とその対称性チャネルを明確化すること。
• c軸の調整がCDW状態と超伝導状態の間の競合に与える影響を評価すること。
• 高分解能熱力学的および輸送測定を統合することで、AV₃Sb₅における電子的ネミティック性および対称性の破れに関する矛盾する報告を解消すること。

提案手法

• 単結晶CsV₃Sb₅（上海およびカールスルートの2つの供給元）を用いて、バルク熱力学的応答を調べるための高分解能熱膨張および比熱測定を実施した。
• 弾性抵抗を測定するため、[100]方向に一軸歪みを印加し、電子的異方性の性質を特定するために対称性分解をA₁gおよびE₂gチャネルに実施した。
• 抵抗率係数Aと電子比熱係数γとの関係を表すカドワキ・ウーズ関係（A ∝ γ²）を用い、電子-電子散乱寄与を推定した。
• 抵抗率および熱膨張の歪み依存測定を用いて、電子-格子散乱と電子-電子散乱の寄与を分離した。
• 補正されていない残留抵抗率を考慮しないと、以前の報告でT ≈ 35 Kで減少が観測されたが、これは未補正の残留抵抗率に起因する可能性が示された。
• X線回折および先行の弾性抵抗データと照合することで、報告されたC₆対称性の破れおよび積層歪みの整合性を評価した。

Figure 1: (a) Relative length changes, $\Delta L/L$ , along the hexagonal directions and corresponding volume change as a function of temperature. The black vertical dashed line indicates T CDW . (b) Comparison of $\Delta L_{i}/L_{i}$ measured along the orthogonal [100] and [210] hexagonal direction

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅における電荷密度波状態は、カゴメ面内で六重回転対称性を破るか？
• RQ2 CDW相における大きな弾性抵抗応答の起源は何か。また、どの対称性チャネルが支配的か？
• RQ3 c軸の調整が、超伝導と電荷密度波秩序の間の競合にどのように影響するか？
• RQ4 CDW状態内に、c軸周期性やネミティック秩序に関連する追加のバルク相転移が熱力学的証拠として存在するか？
• RQ5 特に低温領域において、電子-電子散乱寄与がCDW相における弾性抵抗をどれほど支配しているか？

主な発見

• CsV₃Sb₅におけるCDW状態は、c軸歪みに対して巨視的応答を示し、20 KにおけるA₁g対称性弾性抵抗係数mₐ₁gは約120に達した。
• T_CDW未満で正方晶歪みや追加のバルク相転移の熱力学的証拠は得られず、カゴメ面内での六重回転対称性が保存されていることが示された。
• 全温度範囲にわたりE₂g対称性弾性抵抗応答は無視できるほど小さく、平面内ネミティック性と異方性歪みの直接的結合は否定された。
• 大きなA₁g弾性抵抗は、電子的寄与によって支配されており、低温域での増加する電子-電子散乱に起因する温度依存性を示した。
• mₐ₁gの増幅は、[100]方向の一軸圧力下での電子比熱係数γの減少と相関しており、カドワキ・ウーズ関係に整合的であった。
• 以前に報告されたT ≈ 35 K近辺での弾性抵抗の低下は、未補正の残留抵抗率に起因する誤りであり、真の電子的転移ではないことが示された。

Figure 2: (a) Linear slopes of the resistance versus strain curves, $1/\left(R_{ii}-R_{0}\right)\left(dR_{ii}/d\epsilon_{xx}\right)$ , in the longitudinal ( $i=x$ , red symbols) and transverse ( $i=y$ , blue symbols) channels. The empty symbols correspond to resistance variation relative to the tota