[論文レビュー] Fermi level tuning and double-dome superconductivity in the kagome metals CsV$_3$Sb$_{5-x}$Sn$_x$

Yuzki M. Oey, Brenden R. Ortiz+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、CsV₃Sb₅₋ₓSnₓにおけるSnドーピングを用いてフェルミレベルを調整し、電荷密度波（CDW）秩序と超伝導性の間の相互作用を調査する。穴ドーピングは三次元的CDW秩序を急速に抑制し、ピーク転移温度が3.6 Kおよび4.1 Kの2つの異なる超伝導ドームを誘発する。これはSb pₚz由来の電子的性質を示すバンドがフェルミ準位よりも上に持ち上がることに起因し、kagome金属における電子的不安定性の複雑で非単一の結合を示している。

ABSTRACT

The recently reported extit{A}V$_3$Sb$_5$ ( extit{A} = K, Rb, Cs) family of kagome metals are candidates for unconventional superconductivity and chiral charge density wave (CDW) order; both potentially arise from nested saddle points in their band structures close to the Fermi energy. Here we use chemical substitution to introduce holes into CsV$_3$Sb$_{5}$ and unveil an unconventionalcoupling of the CDW and superconducting states. Specifically, we generate a phase diagram for CsV$_3$Sb$_{5-x}$Sn$_{x}$ that illustrates the impact of hole-doping the system and lifting the nearest vHs toward and above $E_F$. Superconductivity exhibits a non-monotonic evolution with the introduction of holes, resulting in two "domes" peaked at 3.6\,K and 4.1\,K and the rapid suppression of three-dimensional CDW order. The evolution of CDW and superconducting order is compared with the evolution of the electronic band structure of CsV$_3$Sb$_{5-x}$Sn$_x$, where the complete suppression of superconductivity seemingly coincides with an electron-like band comprised of Sb $p_z$ orbitals pushed above E$_F$.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅におけるSn置換による穴ドーピングがフェルミ準位をどのように調整し、CDW状態と超伝導状態の相互作用を変化させるかを調査すること。
• Sb p_z由来バンドおよびV d軌道のvan Hove特異点が、CDWおよび超伝導秩序の安定化に果たす役割を特定すること。
• 観察された二重ドーム型超伝導が、van Hove特異点付近の競合する不安定性の影響か、電子構造の変化に起因するかを明確にすること。
• kagome面におけるSnのサイト選択性と、バンド構造の進化に与える影響を確立すること。

提案手法

• CsV₃Sb₅₋ₓSnₓにおけるSbに対するSnの化学的置換により、最小限の構造的歪みで穴ドーピングを導入する。
• 固体固溶体の形成とSnのサイト占有率を確認するためのX線回折および電子顕微鏡法。
• NQR測定により、Snがkagome面のSbサイトに優先して占有されていることが判明。
• Sn含有量の増加に伴うバンド構造の進化をモデル化するための密度汎関数理論（DFT）計算。
• 抵抗率、比熱、磁化率測定により、相図全体における超伝導転移およびCDW転移をマップする。
• 超格子DFT計算を用いて、特にフェルミ準位に対するΓ点におけるSb p_zバンドの進化をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sn置換による穴ドーピングは、CsV₃Sb₅における電荷密度波（CDW）秩序の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 CsV₃Sb₅₋ₓSnₓの相図において観察された2つの明確な超伝導ドームの起源は何か？
• RQ3 高濃度穴ドーピングにおける超伝導性の抑制は、Sb p_z由来の電子的性質を示すバンドがフェルミ準位より上に持ち上がるのと相関しているか？
• RQ4 穴ドーピング下でのV d軌道のvan Hove特異点（M点）およびSb p_zバンド（Γ点）の位置はどのように変化するか？また、それらがCDWおよびSC形成に果たす相対的な役割は何か？
• RQ5 穴ドーピング下での観察された非単一のCDWと超伝導状態の結合は、静水圧下でのそれと類似しているか？

主な発見

• CsV₃Sb₅₋ₓSnₓにおいて、x ≈ 0.06近辺で三次元的CDW秩序が急速に抑制され、x ≈ 0.06を超えると長距離CDW秩序は観察されない。
• 超伝導性は2つの明確なドームを示す：1つ目はx = 0.03でT_C = 3.6 Kにピークを示し、CDW相内に位置する。2つ目はx = 0.35でT_C = 4.1 Kにピークを示し、CDWの抑制後に現れる。
• x > 0.5でバルク超伝導性が完全に消失し、これはSb p_z由来の電子的性質を示すバンドがフェルミ準位から約0.2 eV上に持ち上がるのと一致する。
• NQRおよびDFT計算により、Snがkagome面のSb1サイトに優先して占有され、Γ点近辺の電子構造が顕著に再構成されることを確認した。
• V d軌道のvan Hove特異点のエネルギーは、x = 0.5でもわずかに変化するのみ（E_Fより-0.072 eVから-0.042 eVに変化）であり、CDWの抑制がE_Fに対するvHsのシフトに起因しているとは考えにくい。
• 穴ドーピング下での二重SCドームの観察は、圧力下の研究とは対照的であり、穴ドーピングはSb p_z状態と超伝導ペアリングの間のより複雑な相互作用を促進する傾向があることが示唆される。