[논문 리뷰] Competing superconductivity and charge-density wave in Kagome metal CsV3Sb5: evidence from their evolutions with sample thickness

Boqin Song, Xinran Kong외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 19.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 11인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 CsV3Sb5에서 Tc와 TCDW의 두께 의존적 진화가 반대임을 보여주며, 초전도성과 CDW 간의 경쟁에 대한 확고한 증거를 제시한다. CDW 경향은 60 nm 근처에서 3D에서 2D로의 전이를 설명한다.

ABSTRACT

Recently superconductivity and topological charge-density wave (CDW) were discovered in the Kagome metals $A$V$_3$Sb$_5$ ($A$ = Cs, Rb, and K), which have an ideal Kagome lattice of vanadium. Here we report resistance measurements on thin flakes of CsV$_3$Sb$_5$ to investigate the evolution of superconductivity and CDW with sample thickness. The CDW transition temperature ${\it T}_{ m CDW}$ decreases from 94 K in bulk to a minimum of 82 K at thickness of 60 nm, then increases to 120 K as the thickness is reduced further to 4.8 nm (about five monolayers). Since the CDW order in CsV$_3$Sb$_5$ is quite three-dimensional (3D) in the bulk sample, the non-monotonic evolution of ${\it T}_{ m CDW}$ with reducing sample thickness can be explained by a 3D to 2D crossover around 60 nm. Strikingly, the superconducting transition temperature ${\it T}_{ m c}$ shows an exactly opposite evolution, increasing from 3.64 K in the bulk to a maximum of 4.28 K at thickness of 60 nm, then decreasing to 0.76 K at 4.8 nm. Such exactly opposite evolutions provide strong evidence for competing superconductivity and CDW, which helps us to understand these exotic phases in $A$V$_3$Sb$_5$ Kagome metals.

연구 동기 및 목표

• CsV3Sb5에서 시료 두께에 따라 초전도성과 CDW가 어떻게 진화하는지 조사한다.
• 초전도성과 CDW가 두께 의존성을 비교하여 경쟁하는지 여부를 확인한다.
• CDW 형성에 대한 차원 전이 및 그 영향 이해.
• 얇은 박막을 사용한 실험적 증거를 통해 구조적 차원성과 전자상태를 연결한다.

제안 방법

• Al2O3 보조 박리 방법을 통해 CsV3Sb5 얇은 플레이크를 제작한다.
• 다양한 온도에서의 기기에서 네 점 저항 측정을 수행한다.
• 원자힘 현미경(AFM)으로 두께를 결정하고 준비 과정에서 시료의 무결성을 확인한다.
• 저항 대 온도 데이터로부터 TCDW를 추출하고 저항 감소의 10% 기준으로 Tc를 결정한다.
• 수직 자기장을 적용하여 상한 임계장 Hc2(T)를 매핑하고 Ginzburg-Landau 이론으로 피트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5를 벌크에서 나노미터 수준으로 얇게 만들면 Tc와 TCDW가 어떻게 변화하는가?
• RQ2 두께에 따라 CsV3Sb5에서 초전도성과 CDW가 경쟁하는 증거가 있는가?
• RQ3 두께에 따른 TCDW의 비단조로운 진화는 어떤 메커니즘으로 설명되는가?
• RQ4 약 60 nm 부근의 3D에서 2D로의 차원 전이가 CDW 거동을 설명하는가?

주요 결과

• 60 nm에서 94 K에서 82 K로 TCDW가 감소하다가 4.8 nm(다섯 모놀레이어)에서 120 K로 증가한다.
• 60 nm에서 Tc가 3.64 K에서 4.28 K로 증가한 뒤 4.8 nm에서 0.76 K로 감소한다.
• 60 nm 샘플의 Hc2(0)는 약 1.78 T로 GL 피트에서 유도된다.
• 두께가 감소함에 따라 초전도 전이의 선이 샤프해진다.
• 두께에 따른 Tc와 TCDW의 반대 진 evolution은 CsV3Sb5에서 경쟁하는 초전도성과 CDW에 대한 강력한 증거를 제공한다.