[논문 리뷰] Nematic electronic state and twofold symmetry of superconductivity in the topological kagome metal CsV$_3$Sb$_5$

Ying Xiang, Qing Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 평면자기장의 방향을 변화시키는 동안 c축 전기저항 측정을 통해 카고메 금속 CsV₃Sb₅에서 스핀이 없는 전자 상태와 이중 대칭 초전도성의 존재를 밝혀냈다. 이는 상호작용하는 양자 물질에서 위상적 성질을 띤 시스템에서 전자적 비대칭성과 초전도성 대칭성 간의 상호작용을 강조한다.

ABSTRACT

In transition metal compounds, due to the interactions among the charge, spin, lattice and orbital freedoms, many intertwined orders exist with close energies. One of the commonly observed states is the so-called nematic electron state, which breaks the in-plane rotational symmetry. This nematic state appears in cuprates, iron based superconductor, ultra-clean quantum Hall systems, and Sr$_3$Ru$_2$O$_7$, etc. Nematicity may coexist, affect, cooperate or compete with other orders. Here we show the anisotropic in-plane electronic state and superconductivity in a recently discovered kagome metal CsV$_3$Sb$_5$ by measuring $c$-axis resistivity with the in-plane rotation of magnetic field. We observe a twofold symmetry of superconductivity in the superconducting state and a unique in-plane nematic electronic state above $T_c$. Interestingly these two orders are orthogonal to each other in terms of the field direction of the minimum resistivity. Our results shed new light in understanding non-trivial physical properties of CsV$_3$Sb$_5$.

연구 동기 및 목표

• 카고메 금속 CsV₃Sb₅에서 전자적 이방이성과 초전도성 대칭성을 조사하기 위해.
• 비대칭 상태와 초전도성이 동시에 존재하는지, 그리고 서로에 비해 어떤 방향으로 배열되어 있는지 확인하기 위해.
• 위상적 밴드 구조를 가진 시스템에서 전자적 비대칭성과 초전도성 간의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 상호작용하는 카고메 물질에서 평면 내 회전 대칭성의 붕괴가 어떤 역할을 하는지 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 자기장의 평면 내 방향을 변화시키며 c축 전기저항을 측정하여 이방성 전자 반응을 탐색하기 위해.
• 저항도의 각도 의존성을 분석하여 초전도 상태의 대칭성을 규명하기 위해.
• 초전도 전이 온도 Tc 이상에서 비대칭 전자 상태를 식별하기 위해.
• 정상 상태와 초전도 상태에서 저항도 최소값이 나타나는 자기장 방향을 비교하여 대칭 정렬을 결정하기 위해.
• 각도 의존성을 이용하여 비대칭성과 초전도 상태의 순서 매개변수를 구분하기 위해.
• 운동량 공간에서 비대칭성과 초전도성 대칭성 간의 수직 관계에 초점을 맞추기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅의 비대칭 전자 상태는 평면 내 회전 대칭성을 깨는가? 만약 그렇다면 그 대칭성은 무엇인가?
• RQ2 CsV₃Sb₅의 초전도 상태는 어떤 대칭성을 가지며, 비대칭 상태와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 비대칭 상태와 초전도 상태는 자기장에 따른 저항도 최소값의 방향 측면에서 정렬되어 있는가, 아니면 수직인가?
• RQ4 Tc 이상에서 존재하는 비대칭 상태는 Tc 이하에서의 초전도 상태에 영향을 주거나 관련이 있는가?
• RQ5 비대칭성과 초전도성 대칭성 간의 수직 배치는 카고메 금속에서의 기본 전자 상호작용에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• CsV₃Sb₅에서 초전도 전이 온도 Tc 이상에서 뚜렷한 평면 내 비대칭 전자 상태가 관측되었다.
• c축 전기저항의 각도 의존성에 의해 초전도 상태가 이중 대칭성을 띤다는 것이 밝혀졌다.
• 비대칭 상태와 초전도 상태는 저항도 최소화를 위한 자기장 방향 측면에서 수직 관계를 가졌다.
• 비대칭 상태는 Tc 이상에서도 유지되며 초전도성과 공존함을 보여, 서로 얽힌 순서 매개변수의 존재를 시사한다.
• 비대칭성과 초전도성 간의 수직 대칭성은 경쟁하거나 협력하는 전자 불안정성의 복잡한 상호작용을 나타낸다.
• 이러한 발견들은 위상적 카고메 금속에서의 비트리비얼한 전자 상관관계에 대한 새로운 통찰을 제공한다.