[논문 리뷰] Charge-Density-Waves Tuned by Crystal Symmetry

A. Gallo–Frantz, A. A. Sinchenko외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 27.

High-pressure geophysics and materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이방성 기계적 변형에 의해 TbTe₃에서 전하 밀도파(CDW)의 정렬 방향이 c축에서 a축으로 가역적으로 전환됨을 보여주며, a/c 격자 비율이 증가함에 따라 a/c = 1.000 근처에 공존 영역이 존재한다. 이 전이 현상은 CDW 전이 온도 Tc가 a/c 비율에 선형적으로 변화함에 따라 유도되며, 이는 2차원 타이트버드 모델을 통해 정량적으로 설명되며, RTe₃계에서 결정 대칭성과 전자적 질서 사이의 직접적인 연관성을 드러낸다.

ABSTRACT

The electronic orders appearing in condensed matter systems are originating from the precise arrangement of atoms constituting the crystal as well as their nature. This teneous relationship can lead to highly different phases in condensed matter, and drive electronic phase transitions. Here, we show that a very slight deformation of the crystal structure of TbTe$_3$ can have a dramatic influence on the electronic order that is stabilized. In particular, we show that the Charge Density Wave (CDW) developping along the $\vec{c}$ axis in the pristine state, switches to an orientation along $\vec{a}$ when the naturally orthorhombic system is turned into a tetragonal system. This is achieved by performing true biaxial mechanical deformation of a TbTe$_3$ sample from 250K to 375K, and by measuring both structural and electronic parameters with x-ray diffraction and transport measurements. We show that this switching transition is driven by the tetragonality parameter $a/c$, and that the transition occurs for $a=c$, with a coexistence region for $0.9985< a/c < 1.002$. The CDW transition temperature $T_c$ is found to have a linear dependence with $a/c$, with no saturation in the deformed states investigated here, while the gap saturates out of the coexistence region. The linear dependence of $T_c$ is accounted for within a tight-binding model. Our results question the relationship between the gap and $T_c$ in RTe$_3$ systems. More generally, our method of applying true biaxial deformation at cryogenic temperatures can be applied to many systems displaying electronic phase transitions, and opens a new route towards the study of coexisting or competing electronic orders in condensed matter.

연구 동기 및 목표

• TbTe₃에서 전하 밀도파(CDW)의 정렬 방향이 결정 구조의 대칭, 특히 a/c 격자 비율에 의해 어떻게 제어되는지 조사하는 것.
• 기계적 응력이 준 2차원 양자물질에서 전자상 전이를 유도하는 역할을 탐구하는 것.
• RTe₃ 화합물에서 구조적 변형과 CDW 전이 온도 Tc 사이의 직접적인 정량적 연관성을 확립하는 것.
• 다양한 격자 대칭 조건에서 CDW 갭과 Tc 간의 관계를 검토하여 기존의 가정에 도전하는 것.
• 냉각 상태에서 실시간으로 구조적 및 전자적 반응을 모니터링할 수 있는 현장 X선 회절 및 전기 저항 측정이 가능한 냉각용 이방성 변형 장치를 개발하고 적용하는 것.

제안 방법

• 고유 설계된 장치를 사용하여 폴리이미드 크로스형 기판을 통해 a 및 c 결정학적 방향으로 힘을 가함으로써 TbTe₃ 결정에 진짜 이방성 인장 응력을 가했다.
• 구조적 매개변수, 즉 CDW 차수 피크 강도와 격자 상수 a 및 c를 측정하기 위해 현장 X선 회절(XRD)을 사용하여 변형 중 a/c 비율을 추적했다.
• a 및 c 방향에 따라 네단자 전기 저항 구성으로 전도도 측정을 수행하여 전기 저항 이상 현상으로 CDW 형성과 정렬을 감지했다.
• 다양한 응력 조건에서 온도 함수로 얻은 전기 저항 곡선에서 CDW 전이 온도 Tc를 추출했다.
• 전자-전자 및 전자-격자 상호작용을 포함한 2차원 타이트버드 모델을 사용하여 Tc가 a/c 비율에 선형적으로 의존하는 현상을 설명하였으며, 선형화된 쿠론 상호작용 U(Q)와 린다르드 감도 χ(T,Q)를 포함했다.
• TbTe₃의 물리적 매개변수 t∥ ≈ 2 eV, t⊥ ≈ 0.37 eV, EF ≈ 1.48 eV, ζ ≈ 0.23 Å⁻¹를 사용하여 χ(T,Q₀) 및 그 온도 미분을 이론적으로 계산하여 Tc의 응력에 대한 민감도를 유도했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통제된 a/c 비율을 가진 이방성 기계적 응력이 TbTe₃에서 전하 밀도파의 정렬 방향에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 응력이 가해진 TbTe₃에서 CDW 전이 온도 Tc와 격자 상수 비율 a/c 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ3 응력 조건에서 Tc가 계속 증가하는 동안 CDW 갭이趋포화되는가? 이는 RTe₃계에서 Tc-간격 관계에 대해 어떤 함의를 갖는다?
• RQ4 선형화된 쿠론 상호작용를 포함한 2차원 타이트버드 모델이 관측된 Tc(a/c)의 선형 의존성을 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ5 테트라고날 점(a/c = 1)에서 전자 상태의 성격은 무엇이며, a 및 c 방향으로 동시에 CDW 질서가 공존할 수 있는가?

주요 결과

• a/c 비율이 증가함에 따라 CDW 정렬 방향이 c축에서 a축으로 연속적으로 전환되며, 0.9985 < a/c < 1.002 범위에서 공존 영역이 존재한다.
• CDW 전이 온도 Tc는 a/c 비율에 선형적으로 의존하며, a/c = 1.000에서 최소값을 보이며, a 격자 상수가 0.2% 증가할 경우 약 20 K 증가한다.
• Tc가 a/c 비율에 선형적으로 의존하는 현상은 선형화된 쿠론 상호작용과 린다르드 감도를 포함한 2차원 타이트버드 모델을 통해 정량적으로 설명되며, 이론적 δTc/δa ≈ 26 K/0.1% 응력으로 실험 결과와 양호한 일치를 보인다.
• a 또는 c 방향의 순수한 CDW 상에서 CDW 갭은趋포화되지만 Tc는 계속 증가하므로, RTe₃계에서 갭과 Tc 사이에 탈결합 현상이 발생함을 시사한다.
• a/c = 1.000에서 시스템은 Tcx와 Tcy가 동일한 디게너레이션 상태를 이루며, a 및 c 방향으로 동시에 CDW 질서가 공존하고 변동성이 증가한다.
• 본 연구는 냉각 상태에서의 진짜 이방성 응력이 전자적 질서를 정밀하게 조절할 수 있음을 입증하며, 양자물질에서 경쟁하거나 공존하는 전자상 탐색을 위한 새로운 플랫폼을 제공한다.