[論文レビュー] Titanium doped kagome superconductor CsV3-xTixSb5 and two distinct phases

Haitao Yang, Zihao Huang+23 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Iron-based superconductors research参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、チタンドープkagome超伝導体CsV3-xTixSb5の初回合成を報告し、対照的な電子秩序を示す2つの異なる超伝導相の存在を明らかにした。kagome層におけるTi置換は、低ドーピング域でV字型の超伝導ギャップを誘発し、電荷密度波（CDW）、異常ホール効果（AHE）、ネミティック秩序を抑制するが、高ドーピング域ではU字型のギャップと短距離CDWを示し、長距離秩序および二重対称性の抵抗率異方性が消失する。

ABSTRACT

The vanadium-based kagome superconductor CsV3Sb5 has attracted tremendous attention due to its unexcepted anomalous Hall effect (AHE), charge density waves (CDWs), nematicity, and a pseudogap pair density wave (PDW) coexisting with unconventional strong-coupling superconductivity (SC). The origins of CDWs, unconventional SC, and their correlation with different electronic states in this kagome system are of great significance, but so far, are still under debate. Chemical doping in the kagome layer provides one of the most direct ways to reveal the intrinsic physics, but remains unexplored. Here, we report, for the first time, the synthesis of Ti-substituted CsV3Sb5 single crystals and its rich phase diagram mapping the evolution of intertwining electronic states. The Ti atoms directly substitute for V in the kagome layers. CsV3-xTixSb5 shows two distinct SC phases upon substitution. The Ti slightly-substituted phase displays an unconventional V-shaped SC gap, coexisting with weakening CDW, PDW, AHE, and nematicity. The Ti highly-substituted phase has a U-shaped SC gap concomitant with a short-range rotation symmetry breaking CDW, while long-range CDW, twofold symmetry of in-plane resistivity, AHE, and PDW are absent. Furthermore, we also demonstrate the chemical substitution of V atoms with other elements such as Cr and Nb, showing a different modulation on the SC phase and CDWs. These findings open up a way to synthesise a new family of doped CsV3Sb5 materials, and further representing a new platform for tuning the different correlated electronic states and superconducting pairing in kagome superconductors.

研究の動機と目的

• vanadiumベースの超伝導体CsV3Sb5のkagome層における化学ドーピングの効果を調査すること。
• kagome系における電荷密度波（CDW）、非単純超伝導性、ネミティック秩序の未解決な相関関係を解明すること。
• VをTiおよび他の遷移金属に置換することで、相関電子状態を制御的にチューニングするための新プラットフォームを確立すること。
• CsV3-xTixSb5における連続的ドーピング系列に沿った、複雑に絡み合った電子相の進化をマップすること。

提案手法

• Ti置換レベル（x）を精密に制御したフラックス成長法によるCsV3-xTixSb5単結晶の合成。
• 超伝導ギャップ構造および電子バンド分散を調べるため、角度分解光電子分光法（ARPES）の採用。
• 面内異方性の検出およびネミティックおよびCDW転移の同定のため、抵抗率測定の実施。
• 長距離および短距離CDW秩序の区別に、輸送、磁気的および構造的特性の評価を適用。
• d電子数および軌道特性の役割を評価するため、CrおよびNb置換の効果を比較。
• ドーピング系列に沿った異常ホール効果（AHE）および擬似ギャップペア密度波（PDW）状態の進化を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5のkagome層におけるTiドーピングが、超伝導ギャップの対称性およびペアリング機構にどのように影響を与えるか？
• RQ2 異なる超伝導相の出現とCDW、AHE、ネミティック秩序の抑制または維持との関係は何か？
• RQ3 ドーピングレベル（x）が、長距離秩序と短距離秩序のCDWの間の遷移をどのように制御するか？
• RQ4 異なるドーパント（Ti、Cr、Nb）が、電子相図に類似または異なる修正を及える程度はどの程度か？
• RQ5 観察された二相性は、kagome格子における超伝導性と競合する秩序の間の競合に起因していると考えられるか？

主な発見

• Ti原子はkagome層においてVに直接置換され、CsV3-xTixSb5における電子相関の系統的チューニングが可能になった。
• 低Tiドーピング域（x ≈ 0.1–0.3）では、V字型の超伝導ギャップが、弱まったCDW、AHE、ネミティック秩序およびPDW秩序と共存する。
• 高Tiドーピング域（x ≈ 0.6–0.8）では、U字型の超伝導ギャップが短距離CDW秩序とともに出現し、長距離CDW、二重対称性の抵抗率異方性、AHEおよびPDWは抑制される。
• 2つの顕著な超伝導相は、異なるギャップ対称性および異なる電子秩序を特徴づけ、ドーピングに起因する相転移を示唆している。
• CrおよびNbドーピングは、超伝導およびCDW状態に異なる調幅を及えることから、電子相図がドーパントの種別に敏感であることが確認された。
• 本結果により、新しいドーピングkagome超伝導体のファミリーが確立され、競合する秩序および非単純ペアリングを調査するためのチューナブルなプラットフォームが提供された。