[論文レビュー] Tunable nodal kagome superconductivity in charge ordered RbV3Sb5

Zurab Guguchia, C. Mielke+19 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、超低温度（18 mK）および圧力調整型ミューオンスピン分光法を用いて、RbV3Sb5におけるチューナブルなノード性カゴーメ超伝導性を明らかにした。ここで時間反転対称性破れの電荷秩序が超伝導性と競合している。圧力を加える（最大1.85 GPa）と、電荷秩序が抑制され、超伝導性密度が増加し、超伝導状態はノード性から完全ギャップを有するノードレスに進化する。ノードレス状態では、自発的な時間反転対称性破れが観測された。

ABSTRACT

Unconventional superconductors often feature competing orders, small superfluid density, and nodal electronic pairing. While unusual superconductivity has been proposed in the kagome metals AV3Sb5, key spectroscopic evidence has remained elusive. Here we utilize pressure-tuned (up to 1.85 GPa) and ultra-low temperature (down to 18 mK) muon spin spectroscopy to uncover the unconventional nature of superconductivity in RbV3Sb5. At ambient pressure, we detect an enhancement of the width of the internal magnetic field distribution sensed by the muon ensemble, indicative of time-reversal symmetry breaking charge order. Remarkably, the superconducting state displays nodal energy gap and a reduced superfluid density, which can be attributed to the competition with the novel charge order. Upon applying pressure, the charge-order transitions are suppressed, the superfluid density increases, and the superconducting state progressively evolves from nodal to nodeless. Once charge order is eliminated, we find a superconducting pairing state that is not only fully gapped, but also spontaneously breaks time-reversal symmetry. Our results point to unprecedented tunable nodal kagome superconductivity competing with time-reversal symmetry-breaking charge order and offer unique insights into the nature of the pairing state.

研究の動機と目的

• 超低温度および高圧という極限条件下におけるRbV3Sb5の非単純超伝導状態を調査すること。
• 時間反転対称性破れの電荷秩序が、超伝導性密度を低下させ、超伝導性のノードギャップを誘導する役割を特定すること。
• 外部圧力によって電荷秩序が抑制される過程で、超伝導ギャップ構造がどのように変化するかを調査すること。
• 超伝導状態がノード性からノードレスに遷移するか、また電荷秩序が存在しない状況で時間反転対称性が破れるかを同定すること。
• カゴーメ格子材料における電荷秩序、超伝導ペアリング対称性、および超伝導性密度の直接的な関係を確立すること。

提案手法

• ポリクリスタリンRbV3Sb5試料の局所的磁場および内部磁場分布を測定するために、スイスミューオンソース（SµS）でミューオンスピン分光法（µSR）を用いた。
• 二重壁ピストンシリンダ圧力セルを用いて、超低温度（18 mKまで）および最大1.85 GPaの圧力下で実験を実施した。
• 時間反転対称性破れを内部磁場分布の幅を用いて検出するために、ゼロ場（ZF）-µSRスペクトルを解析した。
• 超伝導ギャップ構造および超伝導性密度を抽出するために、ミューオンスピン緩和率Γ(T)の温度依存性を測定した。
• 磁気透過率の温度依存性をフィッティングするαモデルを用いて、超伝導ギャップ対称性を推定した。
• キーンシフト測定とバルク磁化率測定を組み合わせて、電荷秩序転移温度およびスピン感受率を特徴づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RbV3Sb5における超伝導ギャップ構造は、圧力を加えることでどのように変化するか。ノード性からノードレスに遷移するか。
• RQ2 時間反転対称性破れの電荷秩序が、超伝導性密度を低下させ、ノード的ペアリングを誘導する役割は何か。
• RQ3 RbV3Sb5における超伝導状態は、時間反転対称性を破るか。どのような条件下でその現象が発生するか。
• RQ4 水素的圧力下における電荷秩序転移温度Tco,1 ≈ 110 KおよびTco,2 ≈ 50 Kはどのように変化するか。
• RQ5 電荷秩序と超伝導性の競合をチューニングすることで、完全ギャップを有する時間反転対称性破れの超伝導状態を明らかにできるか。

主な発見

• 大気圧下では、RbV3Sb5は超伝導ギャップがノード性であり、超伝導性密度が低減している。これは、時間反転対称性破れの電荷秩序による競合と整合的である。
• 水素的圧力下で、電荷秩序転移温度Tco,1 ≈ 110 KおよびTco,2 ≈ 50 Kは低下し、1.85 GPa以上で完全に抑制された。
• 圧力が上昇するに従い、超伝導性密度が増加し、超伝導状態はノード性からノードレスに進化し、ペアリング対称性の変化を示唆した。
• 1.85 GPa以上で電荷秩序が完全に抑制された領域では、超伝導状態は完全ギャップを有し、自発的に時間反転対称性を破った。
• 高圧下のノードレス超伝導状態は、顕著な超伝導性密度の増加を示す完全ギャップのBCS的挙動を特徴づけた。
• ゼロ場µSRデータは、大気圧下で内部磁場分布の幅が明確に増大していることを示し、電荷秩序状態における時間反転対称性破れを確認した。