[論文レビュー] Superconductivity emerging from density-wave-like order in a correlated kagome metal

Yi Liu, Ziyi Liu+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、強い電子相関と壊れやすい密度波（DW）秩序を有する相関的kagome不純正金属CsCr₃Sb₅を同定した。高圧（約4–8 GPa）において、DW秩序は量子臨界点付近で抑制され、6.4 Kの最大Tcを示す非単純な超伝導が誘発される。これは、相関的kagome系における非単純超伝導を研究する稀なプラットフォームを確立する。

ABSTRACT

Unconventional superconductivity (USC) in a highly correlated kagome system has been theoretically proposed for years, yet the experimental realization is hard to achieve. The recently discovered vanadium-based kagome materials, which exhibit both superconductivity and charge density wave (CDW) orders, are nonmagnetic and weakly correlated, thus unlikely host USC as theories proposed. Here we report the discovery of a chromium-based kagome metal, CsCr$_3$Sb$_5$, which is contrastingly characterised by strong electron correlations, frustrated magnetism, and characteristic flat bands close to the Fermi level. Under ambient pressure, it undergoes a concurrent structural and magnetic phase transition at 55 K, accompanying with a stripe-like $4a_0$ structural modulation. At high pressure, the phase transition evolves into two transitions, probably associated with CDW and antiferromagnetic spin-density-wave orderings, respectively. These density-wave (DW)-like orders are gradually suppressed with pressure and, remarkably, a superconducting dome emerges at 3.65-8.0 GPa. The maximum of the superconducting transition temperature, $T_\mathrm{c}^{\mathrm{max}}=$ 6.4 K, appears when the DW-like orders are completely suppressed at 4.2 GPa, and the normal state exhibits a non-Fermi-liquid behaviour, reminiscent of USC and quantum criticality in iron-based superconductors. Our work offers an unprecedented platform for investigating possible USC in a correlated kagome system.

研究の動機と目的

• 強い電子相関と壊れやすい密度波秩序を有する新しいクロムベースのkagome材料を同定・特徴付けること。
• 競合する密度波秩序および磁気秩序が存在する状況における超伝導の出現を調査すること。
• kagome格子における非単純超伝導を駆動する電子相関および量子臨界性の役割を明らかにすること。
• 相関的kagome系における非単純超伝導を研究する新しいプラットフォームを確立すること。

提案手法

• CsCr₃Sb₅の単結晶は自己フラックス法を用いて成長され、単結晶X線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピーを用いて特性評価された。
• 電気抵抗率、比熱、磁化率、磁気輸送測定を実施し、電子的および磁気的転移を調査した。
• 高圧下での抵抗率および磁化測定を用いて、系を量子臨界点へとチューニングし、超伝導転移を検出した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、電子構造を分析し、kagome格子におけるフラットバンドへの近接性を確認した。
• T₁ ≈ 54 KおよびT₂ ≈ 52 Kにおける抵抗率および比熱の異常を分析し、電荷秩序およびスピン密度波秩序に関連する逐次的相転移を同定した。
• 逆磁化率のCurie-Weissフィットにより、局所的磁気モーメントおよび反強磁性スピン相関の存在が確認された。

Figure 1: Crystal structure and physical properties of CsCr 3 Sb 5 . a , Unit cell of the high-temperature hexagonal phase of CsCr 3 Sb 5 . b , In-plane and out-of-plane resistivity as functions of temperature $T$ . c , A close-up of $\rho_{ab}(T)$ (left axis) and d $\rho_{ab}$ /d $T$ versus $T$ (ri

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電子相関および競合する密度波秩序を有するkagome格子材料において、非単純超伝導が出現しうるか？
• RQ2 電子相関および量子臨界性がCsCr₃Sb₅における超伝導をどのように媒介しているか？
• RQ3 圧力誘発相転移が密度波秩序をどのように抑制し、超伝導を安定化させるか？
• RQ4 CsCr₃Sb₅の電子構造は何か？ そして、フラットバンドおよび相関的量子相の出現とどのように関係しているか？

主な発見

• CsCr₃Sb₅は六方晶P6/mmm構造に結晶化し、Cr原子のkagome格子を有しており、強い電子相関およびねじれ磁性を示す。
• 約54 Kおよび約52.7 Kにおける逐次的相転移は、ストライプ型の4a₀構造変調に起因し、電荷密度波（CDW）および反強磁性スピン密度波（SDW）秩序の共存を示している。
• 高圧（4–8 GPa）下では、密度波秩序が抑制され、最大転移温度Tcが6.4 Kの超伝導が出現する。
• P ≈ 4 GPaに量子臨界点が同定され、非フェルミ液体的挙動が観測され、量子相転移への近接性を示唆している。
• 電子構造計算により、電子密度がkagome格子のヴァン・ホーブ特異点付近に位置しており、フラットバンドおよび強化された相関と整合的であることが示された。
• 上臨界磁場Hc2,maxは絶対零度で14.34 Tに達し、パウリ制限を著しく超えており、超伝導状態にスピン三重項または強いスピン軌道結合が関与している可能性を示唆している。

Figure 2: $|$ Structural modulations in CsCr 3 Sb 5 . a,b , Reconstructed ( $hk$ 2) planes of reflections at 40 and 70 K, respectively, with unit vectors $\mathbf{a}^{*}$ and $\mathbf{b}^{*}$ marked. c , A close-up around the main reflection (2 $\bar{1}$ 2) in a , highlighting the satellite reflecti