[論文レビュー] Electrically controlled superconductor-insulator transition and giant anomalous Hall effect in kagome metal CsV3Sb5 nanoflakes

Guolin Zheng, Cheng Tan+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、水素イオンドーピングを用いた電気的チューニングにより、CsV3Sb5ナノフラクチュルスで電気的に制御可能な超伝導体-絶縁体転移（SIT）と巨大な異常ホール効果（AHE）を実証した。SITは不純度増強による位相揺らぎに起因し、巨大AHEは有限のベルリーカラテュールを持つほぼ縮退したバンドにおけるホールの歪み散乱に起因する。これは、カグラメタルにおけるAHE、電荷密度波（CDW）秩序、超伝導性の強い相関関係を示している。

ABSTRACT

The electronic correlations (e.g. unconventional superconductivity (SC), chiral charge order and nematic order) and giant anomalous Hall effect (AHE) in topological kagome metals AV3Sb5 (A= K, Rb, and Cs) have attracted great interest. Electrical control of those correlated electronic states and AHE allows us to resolve their own nature and origin and to discover new quantum phenomena. Here, we show that a protonic gate can largely modulate the effective disorders and carrier density in CsV3Sb5 nanoflakes, leading to significant modifications of SC, unusual charge density wave (CDW) and giant AHE. Notably, we observed a direct superconductor-insulator transition (SIT) driven by superconducting phase fluctuation due to the doping-enhanced disorders, in addition to a large suppression of CDW. Meanwhile, the carrier density modulation shifts the Fermi level across the CDW gap and gives rise to a nontrivial evolution of AHE, in line with the asymmetric density of states of CDW sub-bands near the saddle point. With the first-principles calculations, we suggest the extrinsic skew scattering of holes in the nearly flat bands with finite Berry curvature by multiple impurities accounts for the giant AHE. Our work uncovers a disorder-driven bosonic SIT, outlines a global picture of the giant AHE and reveals its correlation with the unconventional CDW in the AV3Sb5 family.

研究の動機と目的

• カグラメタルCsV3Sb5ナノフラクチュルスにおける非代替的量子相の電気的チューナビリティを調査すること。
• AV3Sb5ファミリー材料における巨大な異常ホール効果（AHE）の起源を解明すること。
• 電場制御下における超伝導性、電荷密度波（CDW）秩序、電子相関の相乗的相互作用を調査すること。
• カグラ系における不純度およびキャリア密度の変調が量子相に与える影響を統一的に理解すること。

提案手法

• 剥離したCsV3Sb5ナノフラクチュルスにおけるキャリア密度および有効不純度を電気的にチューニングするために水素イオンドーピングを用いた。
• 抵抗率およびホール効果の輸送測定を、ゲート電圧を変化させながら実施し、超伝導および異常ホール応答を調べた。
• 第一原理計算を用いて電子構造およびベルリーカラテュールをモデル化し、バンドトポロジーとAHEの起源を結びつけた。
• ゲート電圧依存のホールおよび抵抗率測定を通じて、CDWギャップおよびフェルミ準位の位置の変化を追跡した。
• 観察された超伝導体-絶縁体転移（SIT）を解釈するために、位相揺らぎ理論を適用した。
• CDW準位のサドルポイント近傍における非対称な状態密度の分析を用いて、非自明なAHEの進化を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5ナノフラクチュルスにおける巨大な異常ホール効果の起源は何か。また、電子相関およびバンドトポロジーはどのようにその効果に影響を与えるか。
• RQ2 電場誘発不純度およびキャリア密度の変調が、CsV3Sb5で直接的な超伝導体-絶縁体転移をどのように駆動するか。
• RQ3 フェルミ準位のCDWギャップを越えるチューニングが、非自明にAHEをどのように変化させるか。
• RQ4 電場制御下で、非代替的電荷密度波（CDW）秩序と超伝導性はどのように関連しているか。
• RQ5 有限のベルリーカラテュールを持つほぼ平坦バンドにおける外在的歪み散乱が、観測された巨大AHEを説明できるか。

主な発見

• 水素イオンドーピングによるSITが直接観測された。これは不純度増強による位相揺らぎに起因し、臨界ゲート電圧でコープアー対の局在化が誘発された。
• ゲート電圧の増加に伴い、電荷密度波（CDW）秩序が顕著に抑制された。これはCDW形成に対する強い静電的制御を示している。
• 巨大な異常ホール効果はゲート電圧に応じて非自明に進化し、フェルミ準位がCDW準位ギャップを通過するのと相関していた。また、サドルポイント近傍の非対称な状態密度とも一致した。
• 第一原理計算により、有限のベルリーカラテュールを持つほぼ平坦バンドにおけるホールの歪み散乱が、巨大AHEの主因であると確認された。
• CDWギャップを越えてフェルミ準位がシフトしたことで、ホール抵抗率に符号反転と非単調な進化が観測され、トポロジカルに非自明なバンド構造と整合的であった。
• 本研究は、カグラメタルにおける巨大AHE、CDW秩序、超伝導性を統合的に結びつける包括的図を確立した。不純度はSITを駆動する重要な要因である。