[논문 리뷰] Revealing the competition between charge-density wave and superconductivity in CsV$_3$Sb$_5$ through uniaxial strain

Tiema Qian, Morten H. Christensen외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 09.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 캉고메 초전도체 CsV₃Sb₅의 *a* 축 방향 단축 응력이 초전도 전이 온도 (*T*_C)를 향상시키면서도 전하 밀도 파동(CDW) 전이 온도 (*T*_CDW)를 억제함으로써 이 두 상 사이의 강한 경쟁을 드러낸다. 주요 발견은 응력에 의해 조절되는 *c* 축 격자 파라미터가 주요 조절 매개변수이며, *T*_C 향상은 초전도 매개변수의 직접적 수정보다는 CDW 억제에 의해 주로 이뤄진다는 것이다.

ABSTRACT

In this paper we report the impact of uniaxial strain $\varepsilon$ applied along the crystalline $a$ axis on the newly discovered kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$. At ambient conditions, CsV$_3$Sb$_5$ shows a charge-density wave (CDW) transition at $T_{ m CDW}=94.5$ K and superconducts below $T_C = 3.34$ K. In our study, when the uniaxial strain $\varepsilon$ is varied from $-0.90\%$ to $0.90\%$, $T_C$ monotonically increases by $\sim 33\%$ from 3.0 K to 4.0 K, giving rise to the empirical relation $T_C (\varepsilon)=3.4+0.56\varepsilon+0.12\varepsilon^2$. On the other hand, for $\varepsilon$ changing from $-0.76\%$ to $1.26\%$, $T_{ m CDW}$ decreases monotonically by $\sim 10\%$ from 97.5 K to 87.5 K with $T_{ m CDW}(\varepsilon)=94.5-4.72\varepsilon-0.60\varepsilon^2$. The opposite response of $T_C$ and $T_{ m CDW}$ to the uniaxial strain suggests strong competition between these two orders. Comparison with hydrostatic pressure measurements indicate that it is the change in the $c$-axis that is responsible for these behaviors of the CDW and superconducting transitions, and that the explicit breaking of the sixfold rotational symmetry by strain has a negligible effect. Combined with our first-principles calculations and phenomenological analysis, we conclude that the enhancement in $T_C$ with decreasing $c$ is caused primarily by the suppression of $T_{ m CDW}$, rather than strain-induced modifications in the bare superconducting parameters. We propose that the sensitivity of $T_{ m CDW}$ with respect to the changes in the $c$-axis arises from the impact of the latter on the trilinear coupling between the $M_1^+$ and $L_2^-$ phonon modes associated with the CDW. Overall, our work reveals that the $c$-axis lattice parameter, which can be controlled by both pressure and uniaxial strain, is a powerful tuning knob for the phase diagram of CsV$_3$Sb$_5$.

연구 동기 및 목표

• 단축 응력 하에서 캉고메 물질 CsV₃Sb₅의 전하 밀도 파동(CDW) 질서와 초전도성(SC) 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 관측된 *T*_C와 *T*_CDW의 변화가 격자 응력 효과인지 또는 경쟁 CDW 질서의 억제인지 여부를 규명하기 위해.
• *T*_CDW의 상도를 조절하는 주요 물리적 매개변수—특히 *c* 축 격자 파라미터—를 특정하기 위해.

제안 방법

• 단결정 CsV₃Sb₅의 *a* 축 방향으로 단축 응력을 가했으며, 응력 조절 범위는 −0.90%에서 +0.90%까지였다.
• *T*_C와 *T*_CDW를 응력의 기능으로 추출하기 위해 온도 의존 저항도 및 자화율 측정을 실시했다.
• 현상학적 모델을 사용하여 *T*_C와 *T*_CDW의 응력 의존성을 피팅하였으며, 경험적 관계식 *T*_C(ε) = 3.4 + 0.56ε + 0.12ε² 및 *T*_CDW(ε) = 94.5 − 4.72ε − 0.60ε²를 도출했다.
• 전자 밀도 상태 및 진동 모드의 변화를 분석하기 위해 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행했다.
• 이론적 분석은 CDW 형성에 영향을 미치는 *M*₁⁺ 및 *L*₂⁻ 진동 모드 간의 삼중선형 결합에 집중하였으며, 이는 *c* 축 격자 파라미터에 민감하게 반응한다.
• 수압 압력 데이터와의 비교를 통해 *c* 축이 주요 조절 매개변수임을 확인하였으며, 단축 응력에 의한 회전 대칭성의 붕괴는 미미한 영향을 미친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅에서 *a* 축 방향 단축 응력은 초전도 전이 온도와 전하 밀도 파동 전이 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 관측된 *T*_C와 *T*_CDW의 조절 메커니즘은 초전도 매개변수의 직접적 수정인지, 아니면 경쟁 CDW 질서의 억제인지 여부는 무엇인가?
• RQ3 *T*_CDW의 변화는 진동 모드의 주파수 변화인지, 아니면 *M*₁⁺ 및 *L*₂⁻ 모드 간의 삼중선형 결합 변화에 의해 주로 이뤄지는가?
• RQ4 *c* 축 격자 파라미터는 상의 경쟁을 얼마나 주도하는가? 또한 이는 회전 대칭성 붕괴의 영향과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ5 응력 하에서 전자 밀도 상태가 반도체의 바늘 정점 근처에서 변화함으로써 *T*_C 향상이 발생하는가?

주요 결과

• *a* 축 방향 단축 응력 적용으로 *T*_C는 −0.90%에서 +0.90%의 응력 범위에서 3.0 K에서 4.0 K로 증가하여 약 33% 향상되었다.
• *T*_CDW는 응력 증가에 따라 −0.76%에서 +1.26%로 증가함에 따라 97.5 K에서 87.5 K로 단조롭게 감소하여 CDW 질서가 강하게 억제됨을 나타낸다.
• *T*_C와 *T*_CDW의 경험적 응력 의존성은 이차 다항식 피팅으로 잘 기술되며, *T*_C(ε) = 3.4 + 0.56ε + 0.12ε² 및 *T*_CDW(ε) = 94.5 − 4.72ε − 0.60ε²로 표현된다.
• *T*_C 향상은 초전도 매개변수나 전자 밀도 상태의 직접적 수정이 아니라, 경쟁 CDW 불안정성의 억제에 의해 주로 이뤄진다.
• 제1원리 계산 결과, 페르미 수준 근처의 반도체의 바늘 정점이 응력 하에서 억제됨을 확인하였으며, 이는 만약 주요 기여 요소였다면 *T*_C 감소를 초래할 것이지만, 관측된 증가와 모순된다.
• 결과는 *M*₁⁺ 및 *L*₂⁻ 진동 모드 간의 삼중선형 결합이 응력에 의해 조절되는 주요 메커니즘임을 시사하며, 이는 CDW 전이 온도를 조절하고 간접적으로 *T*_C를 제어한다.