[논문 리뷰] Nodeless superconductivity in kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$ with and without time reversal symmetry breaking

Wei Zhang, Xinyou Liu외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 18.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비자기 불순물 산란과 자기장 없는 임계전류(Ic,sf) 측정을 통해 대기압 및 고압 조건에서 카고메 금속 CsV₃Sb₅의 초전도 쌍성 대칭을 조사한다. 시간역행 대칭 위반(TRSB)이 전하밀도파(CDW) 상에서 발생하더라도 노드 없는 s파일 초전도성이 강건하게 유지됨을 발견하여, 비정상적인 쌍성 대칭이 아닌 전통적인 쌍성 메커니즘이 정상 상태에서 시간역행 대칭 위반 상태에도 지속됨을 시사한다.

ABSTRACT

The kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$ features an unusual competition between the charge-density-wave (CDW) order and superconductivity. Evidence for time-reversal symmetry breaking (TRSB) inside the CDW phase has been accumulating. Hence, the superconductivity in CsV$_{3}$Sb$_{5}$ emerges from a TRSB normal state, potentially resulting in an exotic superconducting state. To reveal the pairing symmetry, we first investigate the effect of nonmagnetic impurity. Our results show that the superconducting critical temperature is insensitive to disorder, pointing to conventional $s$-wave superconductivity. Moreover, our measurements of the self-field critical current ($I_{c,sf}$), which is related to the London penetration depth, also confirm conventional $s$-wave superconductivity with strong coupling. Finally, we measure $I_{c,sf}$ where the CDW order is removed by pressure and superconductivity emerges from the pristine normal state. Our results show that $s$-wave gap symmetry is retained, providing strong evidence for the presence of conventional $s$-wave superconductivity in CsV$_{3}$Sb$_{5}$ irrespective of the presence of the TRSB

연구 동기 및 목표

• CsV₃Sb₅의 CDW 상에서 시간역행 대칭 위반이 초전도 쌍성 대칭을 어떻게 변화시키는지 규명하는 것.
• TRSB 존재 조건에서 비자기 불순물 산란에 대한 초전도성의 강건성을 조사하는 것.
• 수압을 이용해 CDW 상을 억제함으로써 순수한 정상 상태에서의 초전도 갭 대칭을 탐색하는 것.
• TRSB 및 이방성 홀 효과의 증거가 존재하더라도, CsV₃Sb₅의 초전도 상태가 전통적인 s파일인지 비정상적인 형태인지 규명하는 것.

제안 방법

• 다양한 잔류 저항비 비율(RRR)을 가진 여러 개의 CsV₃Sb₅ 단일결정에서 임계온도(Tc)를 측정하여 비자기 불순물에 대한 민감도를 평가한다.
• 자기장 없는 임계전류(Ic,sf) 측정을 통해 초류 밀도의 온도 의존성을 추출하고 갭 대칭을 유추한다.
• 수압(20 kbar 이상)을 적용하여 CDW 상을 완전히 억제하고 순수한 초전도 상태에서 Ic,sf를 측정한다.
• 박막으로 분리한 플레이크에서 고압 전도도 측정을 위해 장치 통합 다이아몬드 압축 셀과 마이크로전극, h-BN 봉입을 사용한다.
• 루비 발광을 통해 압력을 모니터링하고, 가열 효과를 방지하기 위해 맥동 전류-전압 측정을 실시한다.
• 2Δ/kBTc 비율을 CDW 양자临계점에 가까워짐에 따라 변화하는 결합 강도의 진화를 평가하기 위해 관련성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅의 CDW 상에서 시간역행 대칭 위반이 비정상적인 초전도 쌍성 상태를 유도하는가?
• RQ2 비자기 불순물 산란이 CsV₃Sb₅의 초전도 임계온도(Tc)에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 쌍성 대칭에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 CDW 순서가 존재하지 않는 조건에서 초전도 갭이 노드가 없는가? 그리고 초전도가 순수한 정상 상태에서 발생할 경우 s파일 대칭을 유지하는가?
• RQ4 수압을 통해 CDW 상에서 멀어지게 할 때 초전도 결합 강도(2Δ/kBTc)는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 잔류 저항비 비율(RRR)의 변화에 관계없이 초전도 임계온도(Tc)가 민감하게 변하지 않음을 확인하여, 비자기 불순물에 대한 강건성과 전통적인 s파일 쌍성의 가능성을 지지한다.
• 대기압 조건에서 자기장 없는 임계전류(Ic,sf) 측정 결과는 노드 없는 s파일 초전도성과 강한 전자-보존 상호작용을 일으키는 것과 일치하는 T의 온도 의존성 행동을 보였다.
• CDW 순서가 완전히 억제된 고압 조건(20 kbar 이상)에서도 Ic,sf 측정 결과는 여전히 노드 없는 s파일 갭 대칭을 보였으며, 순수한 상태에서도 전통적인 쌍성의 지속성을 확인했다.
• CDW 상을 초월해 압력이 증가함에 따라 2Δ/kBTc 비율이 감소함을 관측하여, CDW 양자临계점에서 멀어질수록 결합 강도가 증가하는 경향을 시사한다.
• 데이터에서 헬베르-슬리히터 협응 피크가 관측되지 않아, 노드가 있는 쌍성과는 일치하지 않으며, 노드 없는 s파일 갭을 더욱 강력히 지지한다.
• 결과는 CDW 상에서의 시간역행 대칭 위반이 비정상적인 쌍성을 유도하지 않으며, CsV₃Sb₅의 초전도 상태가 정상 상태에서의 대칭 위반 여부와 관계없이 근본적으로 전통적인 s파일 초전도임을 입증한다.