[논문 리뷰] Tunable nodal kagome superconductivity in charge ordered RbV3Sb5

Zurab Guguchia, C. Mielke외 19명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 15.

Topological Materials and Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 초저온(18 mK) 및 압력 조절을 통한 삼투자극자 자기분광법을 사용하여 RbV3Sb5에서 시간역전대칭성 깨짐 전하 서열과 초전도성 간의 경쟁을 보이며, 조절 가능한 노드형 카고메 초전도성의 존재를 규명하였다. 1.85 GPa 이내로 압력을 가하면 전하 서열이 억제되고, 초전도성 밀도가 증가하며, 초전도 상태는 노드형에서 완전히 갭이 있는 노드 없는 상태로 변화하며, 이 상태에서는 자발적인 시간역전대칭성 깨짐이 관찰된다.

ABSTRACT

Unconventional superconductors often feature competing orders, small superfluid density, and nodal electronic pairing. While unusual superconductivity has been proposed in the kagome metals AV3Sb5, key spectroscopic evidence has remained elusive. Here we utilize pressure-tuned (up to 1.85 GPa) and ultra-low temperature (down to 18 mK) muon spin spectroscopy to uncover the unconventional nature of superconductivity in RbV3Sb5. At ambient pressure, we detect an enhancement of the width of the internal magnetic field distribution sensed by the muon ensemble, indicative of time-reversal symmetry breaking charge order. Remarkably, the superconducting state displays nodal energy gap and a reduced superfluid density, which can be attributed to the competition with the novel charge order. Upon applying pressure, the charge-order transitions are suppressed, the superfluid density increases, and the superconducting state progressively evolves from nodal to nodeless. Once charge order is eliminated, we find a superconducting pairing state that is not only fully gapped, but also spontaneously breaks time-reversal symmetry. Our results point to unprecedented tunable nodal kagome superconductivity competing with time-reversal symmetry-breaking charge order and offer unique insights into the nature of the pairing state.

연구 동기 및 목표

• 초저온 및 고압 조건에서 RbV3Sb5의 비국소 초전도 상태를 조사하기 위해.
• 시간역전대칭성 깨짐 전하 서열이 초전도성 밀도를 억제하고 노드 갭을 유도하는 데서 수행하는 역할을 규명하기 위해.
• 외부 압력에 의해 전하 서열이 억제됨에 따라 초전도 갭 구조가 어떻게 변화하는지 탐구하기 위해.
• 초전도 상태가 노드형에서 노드 없는 상태로 전이될 수 있는지, 그리고 전하 서열이 존재하지 않을 경우 시간역전대칭성이 깨지는지 확인하기 위해.
• 카고메 격자 물질에서 전하 서열, 초전도성 쌍성 대칭성, 초전도성 밀도 사이의 직접적인 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• 다결정 RbV3Sb5 시료의 국소 자기장과 내부 자기장 분포를 탐측하기 위해 스위스 삼투자극자원(SµS)에서 삼투자극자 자기분광법(µSR)을 적용하였다.
• 이중벽 피스톤 실린더 압력 셀을 사용하여 초저온(최저 18 mK) 및 최대 1.85 GPa 압력 조건에서 실험를 수행하였다.
• 시간역전대칭성 깨짐을 내부 자기장 분포의 너비를 통해 탐지하기 위해 영자장(ZF)-µSR 스펙트럼을 분석하였다.
• 초전도 갭 구조와 초전도성 밀도를 추출하기 위해 삼투자극자 스핀 완화율 Γ(T)의 온도 의존성을 측정하였다.
• 자기침습 깊이의 온도 의존성을 α-모델로 피팅하여 초전도 갭 대칭성을 유추하기 위해 사용하였다.
• Knight 이동 측정과 부피 자화도를 결합하여 전하 서열 전이 온도와 스핀 감수도를 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력이 가해질 경우 RbV3Sb5의 초전도 갭 구조는 어떻게 변화하며, 노드형에서 노드 없는 상태로 전이되는가?
• RQ2 시간역전대칭성 깨짐 전하 서열이 초전도성 밀도를 억제하고 노드형 쌍성 대칭을 유도하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 RbV3Sb5의 초전도 상태는 시간역전대칭성을 깨는가, 그리고 어떤 조건에서 그러한 현상이 발생하는가?
• RQ4 수소압력에 대한 전하 서열 전이 온도 Tco,1 ≈ 110 K 및 Tco,2 ≈ 50 K는 어떻게 반응하는가?
• RQ5 전하 서열과 초전도성 간의 경쟁을 조절하여 완전히 갭이 있는, 시간역전대칭성을 깨는 초전도 상태를 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• 대기압 조건에서 RbV3Sb5는 초전도성 밀도가 감소한 노드형 초전도 갭을 나타내며, 시간역전대칭성 깨짐 전하 서열과의 경쟁과 일치한다.
• 수소압력에 의해 전하 서열 전이 온도 Tco,1 ≈ 110 K 및 Tco,2 ≈ 50 K는 억제되며, 1.85 GPa 이상에서 완전히 억제됨을 관찰하였다.
• 압력이 증가함에 따라 초전도성 밀도가 증가하고, 초전도 상태는 노드형에서 노드 없는 상태로 변화하며, 이는 쌍성 대칭의 변화를 시사한다.
• 1.85 GPa 이상에서 전하 서열이 완전히 억제된 상태에서는 초전도 상태가 완전히 갭이 있고 자발적으로 시간역전대칭성을 깨뜨린다.
• 고압에서의 노드 없는 초전도 상태는 상당한 초전도성 밀도 증가를 특징으로 하는 완전 갭이 있는 BCS 유사 행동을 보인다.
• 영자장 µSR 데이터는 대기압 조건에서 내부 자기장 분포의 너비가 뚜렷하게 증가함을 보여주며, 전하 서열 상태에서 시간역전대칭성 깨짐이 확인된다.