[논문 리뷰] Colossal c-axis response and lack of rotational symmetry breaking within the kagome plane of the CsV$_3$Sb$_5$ superconductor

Mehdi Frachet, Liran Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CsV₃Sb₅에서 전하 밀도 파동(CDW) 상태가 c축 방향에 대해 기하급수적인 반응을 보이며, 카그롬 평면 내에서 회전 대칭성 파괴의 증거가 없음을 밝혀냈다. CDW 상은 전자-전자 산란에 의해 유도된 강력하게 증폭된 A₁g 대칭 탄성저항을 보이며, 초전도성과 CDW 간의 경쟁이 c축 조절에 의해 뚜렷하게 나타나, c축이 이 카그롬 초전도체에서 전자적 불안정성의 주요 제어 매개변수임을 시사한다.

ABSTRACT

The kagome materials AV4$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs) host an intriguing interplay between unconventional superconductivity and charge-density-waves. Here, we investigate CsV$_3$Sb$_5$ by combining high-resolution thermal-expansion, heat-capacity and electrical resistance under strain measurements. We directly unveil that the superconducting and charge-ordered states strongly compete, and that this competition is dramatically influenced by tuning the crystallographic c-axis. In addition, we report the absence of additional bulk phase transitions within the charge-ordered state, notably associated with rotational symmetry-breaking within the kagome planes. This suggests that any breaking of the C$_6$ invariance occurs via different stacking of C$_6$-symmetric kagome patterns. Finally, we find that the charge-density-wave phase exhibits an enhanced A$_{1g}$-symmetric elastoresistance coefficient, whose large increase at low temperature is driven by electronic degrees of freedom.

연구 동기 및 목표

• CsV₃Sb₅에서 외부 스트레인 조건 하에서 초전도성과 전하 밀도 파동(CDW) 질서 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• CDW 상태가 카그롬 평면 내에서 6중 회전 대칭성(C₆)을 파괴하는지 열역학적 및 탄성저항 측정을 통해 확인하기 위해.
• CDW 상에서 관찰된 큰 탄성저항 반응의 기원과 그 대칭 채널을 규명하기 위해.
• c축 조절이 CDW와 초전도 상태 간의 경쟁을 어떻게 조절하는지 평가하기 위해.
• 고해상도 열역학적 및 전기적 측정을 융합하여 AV₃Sb₅에서 보고된 전자적 나치즘 및 대칭성 파괴에 대한 모순된 보고를 해결하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 CsV₃Sb₅(상하이 및 칼라르게 출처)를 대상으로 고해상도 열팽창 및 열용량 측정을 수행하여 부피 열역학적 반응을 분석하였다.
• [100] 방향으로 단축 스트레인을 적용하여 탄성저항을 측정하였으며, 전자적 이방성의 성격을 규명하기 위해 대칭 분해를 통해 A₁g 및 E₂g 채널로 분리하였다.
• Kadowaki-Woods 관계(A ∝ γ²)를 사용하여 저항률 계수 A를 전자 특별열용량 계수 γ와 연결함으로써 전자-전자 산란 기여도를 추론하였다.
• 저항률 및 열팽창의 스트레인 의존성 측정을 통해 전자-격자 및 전자-전자 산란의 기여도를 분리하였다.
• 보정되지 않은 잔류 저항률과의 비교를 통해 이전 보고에서 T ≈ 35 K 근처에서 저항률 감소가 관찰된 것은 실제로 전자적 전이가 아니라 보정되지 않은 잔류 저항률에 기인한 오차일 가능성이 있음을 밝혔다.
• X선 회절 및 이전 탄성저항 데이터를 상호 확인하여 보고된 C₆ 대칭성 파괴 및 다층 구조 변형과의 일관성을 평가하였다.

Figure 1: (a) Relative length changes, $\Delta L/L$ , along the hexagonal directions and corresponding volume change as a function of temperature. The black vertical dashed line indicates T CDW . (b) Comparison of $\Delta L_{i}/L_{i}$ measured along the orthogonal [100] and [210] hexagonal direction

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅의 전하 밀도 파동 상태는 카그롬 평면 내에서 6중 회전 대칭성을 파괴하는가?
• RQ2 CDW 상에서 관찰된 큰 탄성저항 반응의 기원은 무엇이며, 어느 대칭 채널이 주로 이를 지배하는가?
• RQ3 c축 조절은 초전도성과 전하 밀도 파동 질서 간의 경쟁에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 CDW 상태 내에서 c축 주기성 또는 나치즘 질서와 관련된 추가적인 부피 전이가 열역학적으로 증거되는가?
• RQ5 특히 저온에서 전자-전자 산란 기여도가 CDW 상의 탄성저항에서 얼마나 지배적인가?

주요 결과

• CsV₃Sb₅의 CDW 상태는 c축 스트레인에 대해 기하급수적인 반응을 보이며, A₁g 대칭 탄성저항 계수는 20 K에서 mₐ₁g ≈ 120에 도달한다.
• T_CDW 이하에서 정방형 변형 또는 추가적인 부피 전이의 열역학적 증거는 발견되지 않아, 카그롬 평면 내에서 6중 회전 대칭성이 유지됨을 시사한다.
• 전체 온도 범위에서 E₂g 대칭 탄성저항 반응은 무시할 만큼 작아, 평면 내 나치즘성과 이방성 스트레인 간의 직접적 결합을 배제한다.
• 큰 A₁g 탄성저항은 전자 기여도에 의해 지배되며, 저온에서 증가하는 전자-전자 산란에 의해 온도 의존성이 결정된다.
• 관측된 mₐ₁g의 증가는 [100] 단축 압력 하에서 전자 특별열용량 계수 γ의 감소와 상관관계를 보이며, Kadowaki-Woods 관계와 일치한다.
• 이전 보고에서 T ≈ 35 K 근처에서 관찰된 탄성저항 감소는 보정되지 않은 잔류 저항률에 기인한 오차일 뿐이며, 실제 전자 전이가 아니라는 것이 입증되었다.

Figure 2: (a) Linear slopes of the resistance versus strain curves, $1/\left(R_{ii}-R_{0}\right)\left(dR_{ii}/d\epsilon_{xx}\right)$ , in the longitudinal ( $i=x$ , red symbols) and transverse ( $i=y$ , blue symbols) channels. The empty symbols correspond to resistance variation relative to the tota