[논문 리뷰] Anomalous transport and chiral charge order in kagome superconductor CsV3Sb5

Zhiwei Wang, Yu-Xiao Jiang외 18명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 10.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 41인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 단일 결정 성장, 전송 측정 및 스캐닝 턄널링 현미경(STM)을 이용하여 카그롬 초전도체 CsV3Sb5에서의 이례적 운반 및 캐리어 전하 질서를 조사한다. 2x2 전하 질서가 고유의 편극성과 연결되어 이례적인 홀 응답을 유도하며, 1x4 표면 초격자와 초전도 틈새 상태를 관찰하고, c축 자기장 하에서 2Δ = 0.85 meV의 초전도 틈새를 확인하여 청결한 한계 초전도성을 나타낸다.

ABSTRACT

Kagome superconductors with TC up to 7K have been discovered over 40 years. In this work, we report our crystal growth, transport, and scanning tunneling microscopy (STM) study of the kagome superconductor CsV3Sb5. We have grown large single crystals, which show transport behaviors including a charge order below 90K with an unusual Hall response, and superconductivity below 2.5K. A fundamental kagome lattice model often predicts a 2x2 charge order. STM study at 4.2K confirms the 2x2 charge order and reveals additional 1x4 superlattices. On defect-free areas, the 2x2 charge order displays intrinsic chirality that can be related to the unusual Hall response, while defects can induce extrinsic effects. The 1x4 superlattices form various small domains, and are likely of surface origin whose relationship with the underlying kagome lattice is unclear. STM study at 0.4K reveals a superconducting energy gap with a gap size 2{\Delta}=0.85meV, which estimates a moderate superconductivity coupling strength with 2{\Delta}/kBTC=3.9. When further applying a c-axis magnetic field, vortex core bound states are observed within this gap, indicative of clean-limit superconductivity. Finally, we discuss the tantalizing relevance of the chiral kagome charge order with Haldane model and Varma model for orbital currents.

연구 동기 및 목표

• 세부적인 전송 및 스펙트로스코픽 연구를 위해 고품질 단일 결정을 얻기 위해 카그롬 초전도체 CsV3Sb5의 단일 결정 성장을 목적으로 한다.
• CsV3Sb5에서 90 K 이하에서 관측된 이례적 홀 응답의 기원을 조사한다.
• STM 영상에서 관측된 1x4 초격자의 성격과 기원을 규명한다.
• 저온 STM를 이용하여 청결한 한계 조건에서의 초전도 틈새 및 비틀림 핵 상태를 특성화한다.
• 편극성 전하 질서와 허드레인 및 바르마 모델과 같은 이론적 모델 간의 연결 고리를 탐색한다.

제안 방법

• 고품질과 낮은 결함 농도를 확보하기 위해 플럭스 방법을 이용한 CsV3Sb5의 대용량 단일 결정 성장.
• ~90 K에서의 전하 질서 전이와 ~2.5 K에서의 초전도 전이를 조사하기 위해 저온 전송 측정.
• 4.2 K 및 0.4 K에서의 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 통해 전하 질서 패턴과 초전도 틈새 구조를 영상화.
• 공간적으로 국소화된 스펙트로스코피 분석을 통해 초전도 틈새 크기를 추출하고, c축 자기장 하에서의 비틀림 핵 유도 상태를 관찰.
• 카그롬 격자 모델과 허드레인 및 바르마 모델과 같은 이론적 프레임워크에 따른 예측과 관측된 전하 질서 패턴을 비교.
• 결함이 없는 영역에서의 고유한 편극성 전하 질서와 결함에 의해 유도되는 외재적 효과 간의 구분.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5에서 90 K 이하에서 관측된 이례적 홀 응답의 기원은 무엇인가?
• RQ2 STM 영상에서 관측된 1x4 초격자는 기저의 카그롬 격자와 2x2 전하 질서와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 CsV3Sb5의 2x2 전하 질서는 고유의 편극성을 가지며, 만약 그렇다면 이는 이례적 홀 효과와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 CsV3Sb5의 초전도 틈새 크기와 쌍화 강도는 얼마이며, 청결한 한계 초전도성을 나타내는가?
• RQ5 편극성 전하 질서는 허드레인 모델 또는 바르마의 궤도 전류 모델과 같은 이론적 모델과 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 4.2 K에서 STM를 통해 2x2 전하 질서가 확인되었으며, 결함이 없는 영역에서 관측된 고유의 편극성은 이례적 홀 응답과 상관관계를 보였다.
• 1x4 초격자는 작은 영역으로 관측되었으며, 기저의 카그롬 격자와 명백한 관련성이 없이 표면 기원일 가능성이 높다.
• 0.4 K에서 측정된 초전도 틈새는 2Δ = 0.85 meV이며, 중간 정도의 결합 강도를 나타내며 2Δ/kBTC = 3.9에 해당한다.
• c축 자기장을 적용함으로써 초전도 틈내부에 비틀림 핵 유도 상태가 관측되어 청결한 한계 초전도성을 확인하였다.
• 2x2 전하 질서의 편극성은 허드레인 모델과 바르마의 궤도 전류 모델과의 가능성 있는 연결 고리를 시사하며, 카그롬 물질에서의 위상적 현상 이해에 길을 열었다.
• 결함은 전하 질서에 외재적 영향을 미치며, 순수한 영역의 고유한 편극성 전하 질서와 이를 구분할 수 있다.