[論文レビュー] Revealing the competition between charge-density wave and superconductivity in CsV$_3$Sb$_5$ through uniaxial strain

Tiema Qian, Morten H. Christensen+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、kagome超伝導体CsV₃Sb₅の*a*軸に沿った一軸ひずみが、超伝導転移温度(*T*_C)を向上させるとともに、電荷密度波(CDW)転移温度(*T*_CDW)を低下させることを明らかにした。これは、これらの相の間で強い競合が存在することを示している。主な発見は、ひずみによって調整される*c*軸格子定数が支配的な調整パrameterであることであり、*T*_Cの向上は、超伝導パラメータの直接的変更よりも、CDWの抑制に起因していることである。

ABSTRACT

In this paper we report the impact of uniaxial strain $\varepsilon$ applied along the crystalline $a$ axis on the newly discovered kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$. At ambient conditions, CsV$_3$Sb$_5$ shows a charge-density wave (CDW) transition at $T_{ m CDW}=94.5$ K and superconducts below $T_C = 3.34$ K. In our study, when the uniaxial strain $\varepsilon$ is varied from $-0.90\%$ to $0.90\%$, $T_C$ monotonically increases by $\sim 33\%$ from 3.0 K to 4.0 K, giving rise to the empirical relation $T_C (\varepsilon)=3.4+0.56\varepsilon+0.12\varepsilon^2$. On the other hand, for $\varepsilon$ changing from $-0.76\%$ to $1.26\%$, $T_{ m CDW}$ decreases monotonically by $\sim 10\%$ from 97.5 K to 87.5 K with $T_{ m CDW}(\varepsilon)=94.5-4.72\varepsilon-0.60\varepsilon^2$. The opposite response of $T_C$ and $T_{ m CDW}$ to the uniaxial strain suggests strong competition between these two orders. Comparison with hydrostatic pressure measurements indicate that it is the change in the $c$-axis that is responsible for these behaviors of the CDW and superconducting transitions, and that the explicit breaking of the sixfold rotational symmetry by strain has a negligible effect. Combined with our first-principles calculations and phenomenological analysis, we conclude that the enhancement in $T_C$ with decreasing $c$ is caused primarily by the suppression of $T_{ m CDW}$, rather than strain-induced modifications in the bare superconducting parameters. We propose that the sensitivity of $T_{ m CDW}$ with respect to the changes in the $c$-axis arises from the impact of the latter on the trilinear coupling between the $M_1^+$ and $L_2^-$ phonon modes associated with the CDW. Overall, our work reveals that the $c$-axis lattice parameter, which can be controlled by both pressure and uniaxial strain, is a powerful tuning knob for the phase diagram of CsV$_3$Sb$_5$.

研究の動機と目的

• 単結晶CsV₃Sb₅に一軸ひずみをかけた際の、電荷密度波(CDW)秩序と超伝導(SC)の相乗的相互作用を調査すること。
• 観測された*T*_Cおよび*T*_CDWの変化が、格子ひずみ効果に起因するのか、それとも競合するCDW秩序の抑制に起因するのかを特定すること。
• 特に、*c*軸格子定数がCsV₃Sb₅の相図を調整する支配的物理パラメータであることを同定すること。

提案手法

• 単結晶CsV₃Sb₅に*a*軸に沿った一軸ひずみを印加し、ひずみを−0.90%から+0.90%の範囲で調整した。
• 温度依存抵抗率および磁化率測定を用いて、ひずみ関数としての*T*_Cおよび*T*_CDWを抽出した。
• ひずみ依存性をフィットするための擬似的モデルを用い、以下の経験的関係式を得た：*T*_C(ε) = 3.4 + 0.56ε + 0.12ε²および*T*_CDW(ε) = 94.5 − 4.72ε − 0.60ε²。
• 第一原理密度汎関数理論(DFT)計算を実施し、ひずみ下での電子状態密度およびフォノンモードの変化を分析した。
• 理論的分析では、CDW形成を支配する*M*₁⁺および*L*₂⁻フォノンモード間の三重項結合に注目し、これが*c*軸格子定数に敏感であることを示した。
• 水圧データとの比較により、*c*軸が主な調整パラメータであることが確認された。一軸ひずみによる回転対称性の破れは、影響をほとんど及ぼさない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 *a*軸に沿った一軸ひずみが、CsV₃Sb₅における超伝導転移温度および電荷密度波転移温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ひずみ下での*T*_Cおよび*T*_CDWの調整の背後にある支配的物理メカニズムは何か—超伝導パラメータの直接的変更か、それとも競合するCDW秩序の抑制か？
• RQ3 *T*_CDWの変化は、主にフォノン周波数の変化か、*M*₁⁺および*L*₂⁻モード間の三重項結合の変化に起因するか？
• RQ4 *c*軸格子定数が相の競合をどれほど支配しているのか、また、回転対称性の破れに起因する効果と比べてどう異なるか？
• RQ5 ひずみ下での*T*_Cの向上は、van Hove特異点付近の電子状態密度の変化に起因すると言えるか？

主な発見

• *a*軸に沿った一軸ひずみをかけることで、ひずみ範囲−0.90%から+0.90%の間で*T*_Cが3.0 Kから4.0 Kに上昇し、約33%の向上が観察された。
• *T*_CDWは、ひずみが−0.76%から+1.26%に増加するに従い、97.5 Kから87.5 Kへ単調に低下し、CDW秩序の強い抑制が示された。
• 経験的ひずみ依存性は、二次関数フィットにより良好に記述され、*T*_C(ε) = 3.4 + 0.56ε + 0.12ε²および*T*_CDW(ε) = 94.5 − 4.72ε − 0.60ε²である。
• *T*_Cの向上は、超伝導パラメータや電子状態密度の直接的変更よりも、競合するCDW不安定性の抑制に起因しており、主にこれに起因している。
• 第一原理計算により、フェルミ準位付近のvan Hove特異点がひずみによって抑制されることが示されたが、これが支配的であれば*T*_Cは低下するはずであり、観測された上昇とは矛盾する。
• 結果から、*c*軸格子定数に敏感な*M*₁⁺および*L*₂⁻フォノンモード間の三重項結合が、ひずみによる*T*_CDWの調整および間接的な*T*_C制御の主要メカニズムであることが示された。