[논문 리뷰] Titanium doped kagome superconductor CsV3-xTixSb5 and two distinct phases

Haitao Yang, Zihao Huang외 23명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 21.

Iron-based superconductors research참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 투티늄 도핑된 카고메 초전도체 CsV3-xTixSb5의 최초 합성을 보고하며, 대조적인 전자 서열을 가지는 두 가지 별개의 초전도 상이 존재함을 밝혀냈다. 카고메 계면에서의 Ti 도핑은 저도핑 조건에서 V자형 초전도 갭을 유도하며, 전하 밀도파(CDW), 이방성 홀 효과(AHE), 그리고 나치성(order)을 억제한다. 반면 고도핑 조건에서는 U자형 갭이 나타나고, 장거리 순서가 상실되고 단거리 CDW가 유지되며, 이중 대칭성 저항 이방성도 사라진다.

ABSTRACT

The vanadium-based kagome superconductor CsV3Sb5 has attracted tremendous attention due to its unexcepted anomalous Hall effect (AHE), charge density waves (CDWs), nematicity, and a pseudogap pair density wave (PDW) coexisting with unconventional strong-coupling superconductivity (SC). The origins of CDWs, unconventional SC, and their correlation with different electronic states in this kagome system are of great significance, but so far, are still under debate. Chemical doping in the kagome layer provides one of the most direct ways to reveal the intrinsic physics, but remains unexplored. Here, we report, for the first time, the synthesis of Ti-substituted CsV3Sb5 single crystals and its rich phase diagram mapping the evolution of intertwining electronic states. The Ti atoms directly substitute for V in the kagome layers. CsV3-xTixSb5 shows two distinct SC phases upon substitution. The Ti slightly-substituted phase displays an unconventional V-shaped SC gap, coexisting with weakening CDW, PDW, AHE, and nematicity. The Ti highly-substituted phase has a U-shaped SC gap concomitant with a short-range rotation symmetry breaking CDW, while long-range CDW, twofold symmetry of in-plane resistivity, AHE, and PDW are absent. Furthermore, we also demonstrate the chemical substitution of V atoms with other elements such as Cr and Nb, showing a different modulation on the SC phase and CDWs. These findings open up a way to synthesise a new family of doped CsV3Sb5 materials, and further representing a new platform for tuning the different correlated electronic states and superconducting pairing in kagome superconductors.

연구 동기 및 목표

• 바나디움 기반 초전도체 CsV3Sb5의 카고메 계면에서의 화학 도핑 효과를 탐구하기 위해.
• 카고메 시스템에서 전하 밀도파(CDW), 비국소 초전도성, 그리고 나치성 간의 해결되지 않은 상호작용을 규명하기 위해.
• V를 Ti 및 기타 전이 금속으로의 제어된 치환을 통해 상호작용 전자 상태를 조절할 수 있는 새로운 플랫폼을 구축하기 위해.
• CsV3-xTixSb5에서 연속적인 도핑 시리즈를 통해 얽힌 전자 상의 진화를 매핑하기 위해.

제안 방법

• 정확한 Ti 치환 농도(x) 제어를 통해 유화법을 이용한 단결정 CsV3-xTixSb5 합성.
• 초전도 갭 구조와 전자 밴드 분산을 탐사하기 위해 각도 의존성 광전자 방출 분광법(ARPES)을 활용.
• 면내 이방성과 나치성 및 CDW 전이를 탐지하기 위해 전기 저항 측정을 수행.
• 장거리 및 단거리 CDW 순서를 구분하기 위해 운반, 자기 및 구조적 특성 분석을 수행.
• Cr 및 Nb 치환과의 비교를 통해 d전자 수와 궤도 특성의 역할을 평가하기 위해.
• 도핑 시리즈 전반에 걸쳐 이방성 홀 효과(AHE)와 가짜 갭 쌍 밀도파(PDW) 상태의 진화를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5의 카고메 계면에서의 Ti 도핑은 초전도 갭 대칭성과 쌍성 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 서로 다른 초전도 상의 발생과 CDW, AHE, 나치성 서열의 억제 또는 유지 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 도핑 농도(x)는 시스템에서 장거리와 단거리 CDW 순서 간의 전이를 어떻게 제어하는가?
• RQ4 다른 도핑 원소(Ti, Cr, Nb)는 전자 상도도에 유사하거나 상이한 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 이중 상 행동은 카고메 격자에서 초전도성과 경쟁 서열 간의 경쟁에 기인한 것인가?

주요 결과

• Ti 원자가 카고메 계면에서 직접 V를 치환하여, CsV3-xTixSb5의 전자 상관관계를 체계적으로 조절할 수 있다.
• 저도핑 조건에서(예: x ≈ 0.1–0.3), V자형 초전도 갭이 약화된 CDW, AHE, 나치성 및 PDW 서열과 공존한다.
• 고도핑 조건에서(예: x ≈ 0.6–0.8), U자형 초전도 갭이 나타나며 단거리 CDW 순서가 유지되지만, 장거리 CDW, 이중 대칭성 저항 이방성, AHE 및 PDW 서열은 억제된다.
• 두 별개의 초전도 상은 서로 다른 갭 대칭성과 전자 서열을 특징으로 하며, 도핑에 의해 유도된 상전이임을 시사한다.
• Cr 및 Nb 도핑은 초전도 및 CDW 상태에 다른 조절 효과를 유도하며, 전자 상도도가 도핑 원소의 성격에 매우 민감함을 확인한다.
• 결과적으로 새로운 종류의 도핑된 카고메 초전도체를 확립하였으며, 경쟁 서열과 비국소 쌍성 메커니즘을 탐구할 수 있는 조절 가능한 플랫폼을 제공한다.