[논문 리뷰] Competition of superconductivity and charge density wave in selective oxidized CsV3Sb5 thin flakes

Yanpeng Song, Tianping Ying외 7명|PubMed|2021. 05. 20.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 기계적 분리된 CsV3Sb5 얄팍한 막대에서 선택적 산화가 정공 도핑을 유도하여 초전도 전이 온도(Tc)를 향상시키고 상한 임계장(Hc2)을 증가시키며 전하 밀도파(CDW) 질서를 억제함을 보여준다. 관측된 초전도 도메인과 향상된 Tc는 패전수준 근처의 반-보 승화점(VHS)과 관련이 있으며, 이는 카고메 격자에서 상호작용에 의해 유도되는 양자상태를 연구할 수 있는 조절 가능한 2차원 플랫폼으로 AV3Sb5를 설정한다.

ABSTRACT

The recently discovered layered kagome metals AV_{3}Sb_{5} (A=K, Rb, and Cs) with vanadium kagome networks provide a novel platform to explore correlated quantum states intertwined with topological band structures. Here we report the prominent effect of hole doping on both superconductivity and charge density wave (CDW) order, achieved by selective oxidation of exfoliated thin flakes. A superconducting dome is revealed as a function of the effective doping content. The superconducting transition temperature (T_{c}) and upper critical field in thin flakes are significantly enhanced compared with the bulk, which are accompanied by the suppression of CDW. Our detailed analyses establish the pivotal role of van Hove singularities in promoting correlated quantum orders in these kagome metals. Our experiments not only demonstrate the intriguing nature of superconducting and CDW orders, but also provide a novel route to tune the carrier concentration through both selective oxidation and electric gating. This establishes CsV_{3}Sb_{5} as a tunable 2D platform for the further exploration of topology and correlation among 3d electrons in kagome lattices.

연구 동기 및 목표

• 카고메 격자 물질에서 초전도성과 전하 밀도파(CDW) 질서 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 선택적 산화에 의해 유도된 정공 도핑이 얇은 막대 형태의 CsV3Sb5에서 초전도성 및 CDW 상에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 반-보 승화점(VHS)이 AV3Sb5 카고메 금속에서 상호작용에 의해 유도되는 양자 질서를 촉진하는 역할을 규명하기 위해.
• 산화와 전기 게이팅을 조합하여 2차원 카고메 시스템에서 운반자 농도를 조절하는 새로운 방법을 보여주기 위해.
• 3d 전자 시스템에서 위상성과 전자 상호작용을 연구할 수 있는 조절 가능한 2차원 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리된 CsV3Sb5 얇은 막대를 선택적으로 산화하여 제어된 정공 도핑을 도입함.
• 저항도 및 자화율 측정을 포함한 전기적 성질 측정을 통해 초전도 전이 및 CDW 전이를 탐색함.
• 반-보 승화점(VHS)이 Tc 향상에 기여하는 역할를 규명하기 위해 역방향 광전자 방출 분석(ARPES) 데이터를 분석함.
• 산화 시간과 화학 분석을 통해 효과적 도핑 수준을 정량화하여 Tc 및 CDW 억제와의 상관관계를 규명함.
• 운반자 농도 조절의 가능성을 검증하고 추가적인 조절을 위해 산화와 전기 게이팅을 함께 사용함.
• 효과적 정공 도핑에 대한 Tc의 함수로서 초전도 도메인을 추출함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택적 산화에 의한 정공 도핑이 CsV3Sb5 얇은 막대에서 초전도 전이 온도(Tc)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 정공 도핑은 AV3Sb5에서 CDW 질서 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 패전수준 근처의 반-보 승화점(VHS)이 카고메 금속에서 초전도성 쌍성의 강화에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 선택적 산화가 2차원 카고메 시스템에서 운반자 농도를 조절하는 데 실현 가능한 방법이 될 수 있는가?
• RQ5 얇은 막대에서의 초전도 행동은 막대 상태의 CsV3Sb5와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 효과적 정공 도핑에 따라 초전도 도메인이 나타나며, 중간 도핑 농도에서 최적의 Tc를 나타냄.
• 얇은 막대에서의 초전도 전이 온도(Tc)는 막대 상태보다 뚜렷하게 향상되어 원래 상태의 표본보다 높은 값을 기록함.
• 얇은 막대에서의 상한 임계장(Hc2)은 뚜렷하게 증가하여 더 강한 초전도 쌍성 또는 쌍 분해 효과 감소를 시사함.
• 정공 도핑 증가에 따라 전하 밀도파(CDW) 질서가 점진적으로 억제되며, CDW와 초전도성 간의 경쟁 관계를 나타냄.
• Tc 향상과 CDW 억제가 모두 패전수준 근처의 반-보 승화점(VHS) 존재와 강하게 상관됨.
• 선택적 산화를 통해 운반자 농도를 조절 가능하며, 이는 AV3Sb5가 카고메 격자에서 상호작용과 위상성을 연구할 수 있는 실현 가능한 2차원 플랫폼임을 입증함.