[論文レビュー] Competing superconductivity and charge-density wave in Kagome metal CsV3Sb5: evidence from their evolutions with sample thickness

Boqin Song, Xinran Kong+13 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 11被引用数 25

ひとこと要約

この研究は CsV3Sb5 における Tc と TCDW の厚さ依存の進化が逆であることを示しており、超伝導とCDWの競合の強い証拠を提供する。CDW の傾向を説明する 60 nm 周辺の 3D から 2D への転換による説明。

ABSTRACT

Recently superconductivity and topological charge-density wave (CDW) were discovered in the Kagome metals $A$V$_3$Sb$_5$ ($A$ = Cs, Rb, and K), which have an ideal Kagome lattice of vanadium. Here we report resistance measurements on thin flakes of CsV$_3$Sb$_5$ to investigate the evolution of superconductivity and CDW with sample thickness. The CDW transition temperature ${\it T}_{ m CDW}$ decreases from 94 K in bulk to a minimum of 82 K at thickness of 60 nm, then increases to 120 K as the thickness is reduced further to 4.8 nm (about five monolayers). Since the CDW order in CsV$_3$Sb$_5$ is quite three-dimensional (3D) in the bulk sample, the non-monotonic evolution of ${\it T}_{ m CDW}$ with reducing sample thickness can be explained by a 3D to 2D crossover around 60 nm. Strikingly, the superconducting transition temperature ${\it T}_{ m c}$ shows an exactly opposite evolution, increasing from 3.64 K in the bulk to a maximum of 4.28 K at thickness of 60 nm, then decreasing to 0.76 K at 4.8 nm. Such exactly opposite evolutions provide strong evidence for competing superconductivity and CDW, which helps us to understand these exotic phases in $A$V$_3$Sb$_5$ Kagome metals.

研究の動機と目的

• CsV3Sb5 の試料厚さとともに超伝導性とCDWがどのように進化するかを調べる。
• 厚さ依存性を比較して超伝導とCDWが競合するかどうかを特定する。
• CDW の形成に対する次元転換を理解する。
• 構造的次元性と電子相を結ぶ薄片を用いた実験的証拠を確立する。

提案手法

• Al2O3 支援の剥離法により CsV3Sb5 の薄片を作製する。
• 様々な温度条件下でデバイスの4端子抵抗測定を行う。
• AFM で厚さを決定し、準備中の試料の健全性を確認する。
• 抵抗 vs 温度データから TCDW を抽出し、 Tc は 10% 抵抗降下基準から決定する。
• 磁場を法線方向に印加して上臨界場 Hc2(T) を地図化し、Ginzburg-Landau 理論でフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5 をバulk から数 nm へ薄くすると Tc と TCDW はどう変化するか？
• RQ2 厚さを横断して超伝導とCDW が競合する証拠はあるか？
• RQ3 厚さに対する TCDW の非単調な進化を説明する機構は何か？
• RQ4 60 nm 周辺での3Dから2Dへの次元転換が CDW 振る舞いを説明するのか？

主な発見

• TCDW はバulkの 94 K から 60 nm の 82 K へ低下し、そこから 4.8 nm（5 枚モノレイヤー）で 120 K へ上昇する。
• Tc はバ bulk の 3.64 K から 60 nm で 4.28 K へ上昇し、その後 4.8 nm で 0.76 K へ低下する。
• 60 nm サンプルの Hc2(0) は約 1.78 T で、GL フィットから推定。
• 厚さが減少するにつれて超伝導転移がよりシャープになる。
• 厚さに対する Tc と TCDW の逆方向の進化は CsV3Sb5 における競合する超伝導と CDW の強い証拠を提供する。