[논문 리뷰] Uniaxial Strain Tuning of Superconductivity in 2$H$-NbSe$_{2}$

Andrew Wieteska, Ben Foutty외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 12.

Organic and Molecular Conductors Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2H-NbSe₂에서 축방향 인장 또는 압축 변형이 0.2% 이상 또는 0.1% 이상일 경우 초전도 전이 온도(T_sc)를 강하게 억제함을 보여주며, 각각 1.3 K/% 및 2.5 K/%의 비율로 T_sc가 감소한다. 이 억제 현상은 3Q에서 1Q 전하 밀도파(CDW) 상으로의 변형에 의해 유도되며, 초전도 주요 오비탈이 존재하는 피어미 표면 풍선에서 CDW 갭 형성이 강화되어 초전도와 경쟁함으로써 T_sc가 감소한다.

ABSTRACT

We explore the effect of lattice anisotropy on the charge-ordered superconductor 2H-NbSe$_{2}$. Using a novel strain apparatus, we measure the superconducting transition temperature $T_{sc}$ as a function of uniaxial strain. It is found that $T_{sc}$ is independent of tensile(compressive) strain below a threshold of 0.2\% (0.1\%), but decreases strongly with larger strains with an average rate of $1.3\,$K/\% ($2.5\,$K/\%). Transport signatures of charge order are largely unaffected as a function of strain. Theoretical considerations show that the change in the behavior of $T_{sc}$ with strain coincides with a phase transition from 3Q to 1Q charge order in the material. The spectral weight on one of the Fermi surface bands is found to change strongly as a consequence of this phase transition, providing a pathway to tune superconducting order.

연구 동기 및 목표

• 2H-NbSe₂에서 큰 연속 조절 가능한 축방향 변형이 초전도 전이 온도(T_sc)에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 격자 이방성과 변형에 의한 구조적 변화가 초전도성과 전하 순서 간의 상호작용에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 변형 조건에서 3Q에서 1Q 전하 밀도파(CDW) 순서로의 전이가 관측된 T_sc 감소 현상을 이끌어내는지 탐구하기 위해.
• 이론적 모델링을 통해 피어미 표면 스펙트럼 무게의 변화와 CDW 갭 형성의 변화를 측정된 T_sc 감소와 연결하기 위해.
• 상호작용하는 대칭성 깨짐 상과 초전도성 간의 경쟁을 탐색할 수 있는 변형 조절 가능한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 고품질의 2H-NbSe₂ 단일결정에 연속적이고 가역적인 변형을 가하기 위해 고안된 파이에조 전기 축방향 변형 장치를 사용하였다.
• 4점 저항측정 방법을 통해 온도 및 변형에 따른 T_sc를 추출하였으며, 홀 저항측정을 통해 실온에서의 실체 및 이동도를 확인하였다.
• 파이에조 전기 스택의 온도 의존적 이동을 보정하기 위해 커패시티브 센서를 사용하여 보정하였다.
• 다양한 축방향 변형 조건에서 전자 밴드 구조 및 진동 스펙트럼을 모의하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 0.6% 인장 및 圧축 변형 조건에서 비변형 상태, 3Q 변형 상태, 1Q 변형 상태의 피어미 표면에서의 스펙트럼 밀도(A(E_F, k))를 계산하여 피어미 표면 갭 형성 정도를 평가하였다.
• 모멘텀 의존적 전자-포논 결합을 고려한 무작위 위상 근사(RPA)를 사용하여 CDW 형성과 그 변형 의존성을 모델링하였으며, 이는 이전의 STM 및 ARPES 데이터와 일치하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방향 변형은 2H-NbSe₂에서 초전도 전이 온도 T_sc에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 변형이 3Q에서 1Q 전하 밀도파(CDW) 상으로의 전이를 유도하는가? 만약 그렇다면, 이는 초전도성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CDW 갭에 의한 피어미 표면 스펙트럼 무게 재분포가 T_sc 감소와 어느 정도 관련되어 있는가?
• RQ4 왜 T_sc의 변형 의존성은 인장과 압축에서 비대칭적인가?
• RQ5 관측된 T_sc 감소는 특정 피어미 표면 풍선에서 초전도성과 CDW 순서 간의 경쟁에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 축방향 인장 변형이 0.2% 이하 또는 축방향 압축 변형이 0.1% 이하일 경우 T_sc는 거의 변화하지 않으며, 이는 변형에 민감하지 않은 영역임을 시사한다.
• 이 임계값을 초과하면 T_sc는 선형적으로 감소하며, 인장 변형 조건에서는 1.3 K/%, 압축 변형 조건에서는 2.5 K/%의 비율로 감소한다.
• T_sc 감소는 이론적 모델링을 통해 확인된 바와 같이, 3Q에서 1Q 전하 밀도파(CDW) 상으로의 변형에 의해 유도된 것으로 강하게 관련되어 있다.
• 1Q CDW 상에서 CDW 갭은 초전도 갭이 주로 존재하는 비틀림 내부 K-풍선을 포함해 피어미 표면 풍선의 훨씬 더 큰 부분에서 열리게 된다.
• T_sc의 변형 의존성에서 나타나는 이중 대칭성은 유닛 세포 면적이 변형 조건에서 약간의 변화가 없다는 가정 하에 자연스럽게 설명된다.
• 이론적 계산 결과, 1Q 상에서 내부 K-풍선의 스펙트럼 무게가 강하게 억제됨을 확인하였으며, 이는 직접적으로 피어미 표면 갭 형성과 T_sc 감소를 연결시킨다.