[論文レビュー] Uniaxial Strain Tuning of Superconductivity in 2$H$-NbSe$_{2}$

Andrew Wieteska, Ben Foutty+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Organic and Molecular Conductors Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2H-NbSe₂における単軸ひずみが、引張ひずみ0.2%以上または圧縮ひずみ0.1%以上の範囲で超伝導転移温度（T_sc）を強く抑制することを示している。それぞれのひずみ率におけるT_scの低下率は1.3 K/%および2.5 K/%である。この抑制は、3Qから1Qの電荷密度波（CDW）相へのひずみ駆動的転移に起因し、超伝導オーダーパrameterが存在するフェルミ表面ポケットにおけるCDWギャップ形成が強化されることにより、超伝導と競合し、T_scが低下するものとされる。

ABSTRACT

We explore the effect of lattice anisotropy on the charge-ordered superconductor 2H-NbSe$_{2}$. Using a novel strain apparatus, we measure the superconducting transition temperature $T_{sc}$ as a function of uniaxial strain. It is found that $T_{sc}$ is independent of tensile(compressive) strain below a threshold of 0.2\% (0.1\%), but decreases strongly with larger strains with an average rate of $1.3\,$K/\% ($2.5\,$K/\%). Transport signatures of charge order are largely unaffected as a function of strain. Theoretical considerations show that the change in the behavior of $T_{sc}$ with strain coincides with a phase transition from 3Q to 1Q charge order in the material. The spectral weight on one of the Fermi surface bands is found to change strongly as a consequence of this phase transition, providing a pathway to tune superconducting order.

研究の動機と目的

• 2H-NbSe₂における大規模で連続的に調整可能な単軸ひずみが超伝導転移温度（T_sc）に与える影響を調査すること。
• 格子の異方性およびひずみ誘発的な構造的変化が、超伝導と電荷秩序の間の相互作用に与える影響を特定すること。
• ひずみ下で3Qから1Qの電荷密度波（CDW）秩序への相転移が、観測されたT_scの抑制を引き起こすかどうかを検討すること。
• 理論的モデリングを用いて、フェルミ表面スペクトル重みの変化およびCDWギャップ形成を、測定されたT_scの抑制と結びつけること。
• 相関電子系における対称性破れ相と超伝導の競合を調べるためのひずみ調整可能なプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 高品質な2H-NbSe₂単結晶に連続的かつ可逆的なひずみを加えるために、剪断アクチュエータを備えた独自開発の圧電素子による単軸ひずみ装置を採用した。
• 四端子配置を用いた縦方向抵抗率測定により、ひずみおよび温度の関数としてT_scを抽出した。ホール抵抗率を用いてキャリアの種別および移動度を確認した。
• 容量型センサを用いて圧電素子の温度依存的変位をキャリブレーションし、熱収縮効果を補正した。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いて、さまざまな単軸ひずみ下での電子バンド構造およびフォノンスペクトルをモデル化した。
• 0.6%の引張および圧縮ひずみ下での未ひずみ状態、3Q歪み状態、1Q歪み状態のフェルミ準位におけるARPESスペクトル密度（A(E_F, k)）を計算し、フェルミ表面ギャップ形成を評価した。
• 運動量依存の電子-フォノン結合を用いたランダム位相近似（RPA）を用いてCDW形成とそのひずみ依存性をモデル化し、先行するSTMおよびARPESデータと整合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2H-NbSe₂における単軸ひずみは、超伝導転移温度T_scにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ひずみが3Qから1Qの電荷密度波（CDW）相に転移を引き起こすか？ もしそうであるならば、それは超伝導にどのように影響を与えるか？
• RQ3 CDWギャップによるフェルミ表面スペクトル重みの再分配は、T_scの抑制とどの程度相関しているか？
• RQ4 T_scのひずみ依存性が引張と圧縮で非対称である理由は何か？
• RQ5 観測されたT_scの抑制は、特定のフェルミ表面ポケットにおける超伝導とCDW秩序の競合によって説明できるか？

主な発見

• T_scは、引張ひずみが0.2%未満、圧縮ひずみが0.1%未満ではほぼ一定であり、ひずみに頼らない領域であることが示された。
• これらの閾値を超えると、T_scはひずみに対して線形に減少し、引張ひずみ下では1.3 K/%、圧縮ひずみ下では2.5 K/%の割合で低下した。
• T_scの抑制は、理論的モデリングにより確認されたように、3Qから1Qの電荷密度波（CDW）相へのひずみ誘発的転移と強く相関していた。
• 1Q CDW相では、特に超伝導ギャップが支配的であるとされる内側のKポケットにおいて、フェルミ表面の大部分にわたってCDWギャップが開いた。
• ひずみ依存性の二重対称性の非対称性は、単位格子面積がひずみ下でも概ね一定であると仮定したモデルにより自然に説明された。
• 理論的計算により、1Q相において内側のKポケットにおけるスペクトル重みが強く抑制されることが示され、フェルミ表面ギャップ形成がT_scの抑制と直接的に関連していることが明らかになった。