[論文レビュー] Tuning charge-density wave order and superconductivity in the kagome metals KV$_3$Sb$_{5-x}$Sn$_x$ and RbV$_3$Sb$_{5-x}$Sn$_x$

Yuzki M. Oey, Farnaz Kaboudvand+3 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Sn置換を用いた穴ドーピング効果をKV₃Sb₅₋ₓSnₓおよびRbV₃Sb₅₋ₓSnₓカグラメタルで調査し、電荷密度波（CDW）秩序が急速に抑制される単一の超伝導ドームを明らかにした。穴ドーピングにより、Γポケットおよびvan Hove特異性がフェルミ準位に上昇し、超伝導転移温度（T_C）が約4.5 Kに向上する一方でCDWが抑制される。これは、CsV₃Sb₅と比較してKおよびRbアナログとは異なる母体CDW状態を示している。

ABSTRACT

The family of AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs) kagome metals exhibit charge density wave (CDW) order, proposed to be chiral, followed by a lower temperature superconducting state. Recent studies have proposed the importance of band structure saddle points proximal to the Fermi energy in governing these two transitions. Here we show the effects of hole-doping achieved via chemical substitution of Sn for Sb on the CDW and superconducting states in both KV$_3$Sb$_5$ and RbV$_3$Sb$_5$, and generate a phase diagram. Hole-doping lifts the $Γ$ pocket and van Hove singularities (vHs) toward $E_F$ causing the superconducting $T_C$ in both systems to increase to about 4.5 K, while rapidly suppressing the CDW state.

研究の動機と目的

• Sn置換による穴ドーピングがKV₃Sb₅およびRbV₃Sb₅における電荷密度波（CDW）および超伝導（SC）秩序に与える影響を調査すること。
• 以前に報告されたCsV₃Sb₅₋ₓSnₓにおける二重超伝導ドームと比較して、得られた相図を検討すること。
• 電子状態の変化、特にΓポケットおよびM点付近のvan Hove特異性のシフトが、CDWとSCの相互作用をどのように支配するかを特定すること。
• Aサイトの陽イオンサイズが固溶体安定性および電子的相の安定性に与える影響を調査すること。
• ドーピング応答に基づいて、CsV₃Sb₅とK/Rbアナログの母体CDW状態の違いを特定すること。

提案手法

• 固体反応法を用いて、0 ≤ x ≤ 1の範囲で固体溶液KV₃Sb₅₋ₓSnₓおよびRbV₃Sb₅₋ₓSnₓを合成した。
• 相純度およびSnの含有状態を確認するため、X線回折および走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（SEM-EDS）を実施した。
• MPMSおよびPPMSシステムを用いて磁化および抵抗率測定を行い、超伝導転移温度（T_C）およびCDW転移温度（T*）を決定した。
• VASPを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、Sn置換系のバンド構造を計算し、Sb1およびSb2サイトへの置換に注目した。
• 穴ドーピング条件下でのフェルミ表面トポロジーの変化、特にΓポケットおよびM点付近のvan Hove特異性の変化を分析した。
• 未ドーピングおよびSnドーピングされたA V₃Sb₅（A = K, Rb, Cs）のバンド構造を比較することで、電子状態および相安定性の進化をマッピングした。

Figure 1: (a) A V 3 Sb 5-x Sn x crystallizes in the parent A V 3 Sb 5 ( $P$ 6/ $mmm$ ) structure. Naively Sn can substitute on either the Sb1 or Sb2 sites, but from studies on CsV 3 Sb 5-x Sn x it is clear that Sn preferentially substitutes in the in-plane kagome Sb1. (b-c) Sn integration into KV 3

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SbサイトへのSn置換は、KV₃Sb₅およびRbV₃Sb₅における超伝導および電荷密度波遷移にどのように影響を与えるか？
• RQ2 KV₃Sb₅₋ₓSnₓおよびRbV₃Sb₅₋ₓSnₓは、二重ドームが観察されるCsV₃Sb₅₋ₓSnₓとは異なり、単一の超伝導ドームを示すのはなぜか？
• RQ3 ΓポケットおよびM点付近のvan Hove特異性は、これらのカグラメタルにおけるCDWおよびSC秩序の調整に果たす役割は何か？
• RQ4 Aサイトの陽イオンサイズ（K, Rb, Cs）の違いは、Snの固溶度および電子的相図にどのように影響を与えるか？
• RQ5 CsV₃Sb₅とKおよびRbアナログの母体CDW状態が異なる背後にある電子状態の違いは何か？

主な発見

• KV₃Sb₅₋ₓSnₓにおけるSnによる穴ドーピングにより、超伝導転移温度（T_C）が最大で約4.5 Kに上昇し、x = 0.30までの組成で観察された。
• KV₃Sb₅₋ₓSnₓにおけるCDW転移温度（T*）は86 Kから59 Kに低下し、x ≥ 0.05で消失した。これはCDW秩序の急速な抑制を示している。
• RbV₃Sb₅₋ₓSnₓも同様に単一の超伝導ドームを示し、T_Cは約4.5 Kにピークを示した。CDWの迅速な抑制はKV₃Sb₅₋ₓSnₓと一致していた。
• KV₃Sb₅におけるSnの固溶度は低い（x ≈ 0.25）一方で、RbV₃Sb₅ではx ≈ 0.70に達し、Aサイトの陽イオンサイズが固溶体安定性に与える影響を示している。
• DFT計算により、平面内Sb1サイトへのSn置換がΓポケットおよびM点付近のvan Hove特異性をフェルミ準位に引き上げることが判明。これは、超伝導性の向上およびCDWの抑制と一致している。
• CsV₃Sb₅₋ₓSnₓの相図は二重超伝導ドームを示すが、これはKおよびRbアナログとは根本的に異なる母体CDW状態を示しており、CDWの対称性および周期的パターンの違いが要因である可能性がある。

Figure 2: (a) The superconducting $T_{C}$ of KV 3 Sb 5-x Sn x measured under a field of $H$ = 5 Oe systematically shifts to higher temperature in compositions up to $x=0.30$ . The superconducting fraction is normalized to account for errors in mass and packing fraction so all data have a minimum of