[논문 리뷰] Electrically controlled superconductor-insulator transition and giant anomalous Hall effect in kagome metal CsV3Sb5 nanoflakes

Guolin Zheng, Cheng Tan외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 26.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 프로톤 도핑을 통한 전기적 터널링을 통해 CsV3Sb5 나노플레이크에서 전자 밀도와 불순물 농도를 조절함으로써 전기적으로 조절 가능한 초전도체-絕縁체 전이(SIT)와 거대한 비정상 홀 효과(AHE)를 입증한다. SIT는 불순물에 의해 강화된 위상 플럭츄에이션에 기인하며, 거대한 AHE는 유한한 Berry 곡률을 지닌 거의 평탄한 밴드에서 정공의 기울임 산란에 기인한다. 이는 카그롬 금속에서 AHE, 전하 밀도 파동(CDW) 질서 및 초전도성 간의 강한 상관관계를 드러낸다.

ABSTRACT

The electronic correlations (e.g. unconventional superconductivity (SC), chiral charge order and nematic order) and giant anomalous Hall effect (AHE) in topological kagome metals AV3Sb5 (A= K, Rb, and Cs) have attracted great interest. Electrical control of those correlated electronic states and AHE allows us to resolve their own nature and origin and to discover new quantum phenomena. Here, we show that a protonic gate can largely modulate the effective disorders and carrier density in CsV3Sb5 nanoflakes, leading to significant modifications of SC, unusual charge density wave (CDW) and giant AHE. Notably, we observed a direct superconductor-insulator transition (SIT) driven by superconducting phase fluctuation due to the doping-enhanced disorders, in addition to a large suppression of CDW. Meanwhile, the carrier density modulation shifts the Fermi level across the CDW gap and gives rise to a nontrivial evolution of AHE, in line with the asymmetric density of states of CDW sub-bands near the saddle point. With the first-principles calculations, we suggest the extrinsic skew scattering of holes in the nearly flat bands with finite Berry curvature by multiple impurities accounts for the giant AHE. Our work uncovers a disorder-driven bosonic SIT, outlines a global picture of the giant AHE and reveals its correlation with the unconventional CDW in the AV3Sb5 family.

연구 동기 및 목표

• 카그롬 금속인 CsV3Sb5 나노플레이크에서 비국소적 양자 상의 전기적 터널링을 탐색한다.
• AV3Sb5 계열 물질에서의 거대한 비정상 홀 효과(AHE) 기원을 규명한다.
• 전기장 제어 하에서 초전도성, 전하 밀도 파동(CDW) 질서 및 전자 상관관계 간의 상호작용을 조사한다.
• 불순물과 전자 밀도 조절이 카그롬 시스템에서 양자 상에 미치는 영향을 통합적으로 이해하는 데 기여한다.

제안 방법

• 외부에서 기계적으로 분리된 CsV3Sb5 나노플레이크에서 프로톤 도핑을 이용해 전자 밀도와 효과적 불순물 농도를 전기적으로 조절하였다.
• 초전도성 및 비정상 홀 반응을 탐색하기 위해 다양한 게이트 전압 조건에서 저항도 및 홀 효과 측정을 수행하였다.
• 전자 구조 및 Berry 곡률을 모델링하기 위해 최초 원리 계산을 사용하여 밴드 위상구조와 AHE 기원을 연결하였다.
• 게이트 전압 의존성에 기반한 홀 및 저항도 측정을 통해 CDW 갭과 패리 레벨 위치의 변화를 추적하였다.
• 관측된 초전도체-絕縁체 전이(SIT)를 해석하기 위해 위상 플럭츄에이션 이론을 적용하였다.
• CDW 준밴드의 안정점 근처에서 비대칭 밀도 상태 분석을 통해 비정상적인 AHE 진화를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5 나노플레이크에서 거대한 비정상 홀 효과(AHE)의 기원은 무엇이며, 전자 상관관계와 밴드 위상구조는 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 전기장에 의해 유도된 불순물과 전자 밀도 조절은 CsV3Sb5에서 직접적인 초전도체-絕縁체 전이(SIT)를 어떻게 유도하는가?
• RQ3 CDW 갭을 가로질러 패리 레벨을 조절할 경우 AHE는 어떤 비정상적인 방식으로 변화하는가?
• RQ4 전기적 제어 하에서 비국소적 전하 밀도 파동(CDW) 질서와 초전도성은 어떻게 상호연관되어 있는가?
• RQ5 유한한 Berry 곡률을 지닌 거의 평탄한 밴드에서의 외재적 기울임 산란은 관측된 거대한 AHE를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 프로톤 도핑에 의해 불순물에 의해 강화된 위상 플럭츄에이션에 의해 유도된 직접적인 초전도체-絕縁체 전이(SIT)가 관측되었으며, 임계 게이트 전압에서 코플레어 쌍의 국소화가 발생하였다.
• 게이트 전압 증가에 따라 전하 밀도 파동(CDW) 질서가 현저히 억제되었으며, 이는 CDW 형성에 대한 강력한 전기적 제어 가능성을 시사한다.
• 거대한 비정상 홀 효과는 게이트 전압에 따라 비정상적인 진화를 보였으며, 패리 레벨이 CDW 준밴드 갭을 가로지르고 안정점 근처에서 비대칭 전자 밀도 상태가 존재함과 관련이 있었다.
• 최초 원리 계산을 통해, 유한한 Berry 곡률을 지닌 거의 평탄한 밴드에서 정공의 기울임 산란이 거대한 AHE의 주요 메커니즘이었음을 확인하였다.
• CDW 갭을 가로지르는 패리 레벨 이동으로 인해 홀 저항도가 부호 반전 및 비단조적 진화를 보였으며, 이는 위상적으로 비자명한 밴드 구조와 일치하였다.
• 이 연구는 불순물이 SIT 유도에 핵심적인 역할을 하며, 카그롬 금속에서 거대한 AHE, CDW 질서 및 초전도성 간의 통합적 그림을 수립하였다.