[论文解读] Anomalous transport and chiral charge order in kagome superconductor CsV3Sb5

Zhiwei Wang, Yu-Xiao Jiang+18 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用 7

一句话总结

本研究通过单晶生长、输运测量和扫描隧道显微镜（STM）技术，研究了凯库梅超导体CsV3Sb5中的反常输运行为与手性电荷序。研究确认了与异常霍尔响应相关的本征手性2×2电荷序，观察到1×4表面超晶格，并在c轴磁场下揭示了超导隙为2Δ = 0.85 meV且存在涡旋核心束缚态，表明其为清洁极限超导态。

ABSTRACT

Kagome superconductors with TC up to 7K have been discovered over 40 years. In this work, we report our crystal growth, transport, and scanning tunneling microscopy (STM) study of the kagome superconductor CsV3Sb5. We have grown large single crystals, which show transport behaviors including a charge order below 90K with an unusual Hall response, and superconductivity below 2.5K. A fundamental kagome lattice model often predicts a 2x2 charge order. STM study at 4.2K confirms the 2x2 charge order and reveals additional 1x4 superlattices. On defect-free areas, the 2x2 charge order displays intrinsic chirality that can be related to the unusual Hall response, while defects can induce extrinsic effects. The 1x4 superlattices form various small domains, and are likely of surface origin whose relationship with the underlying kagome lattice is unclear. STM study at 0.4K reveals a superconducting energy gap with a gap size 2{\Delta}=0.85meV, which estimates a moderate superconductivity coupling strength with 2{\Delta}/kBTC=3.9. When further applying a c-axis magnetic field, vortex core bound states are observed within this gap, indicative of clean-limit superconductivity. Finally, we discuss the tantalizing relevance of the chiral kagome charge order with Haldane model and Varma model for orbital currents.

研究动机与目标

• 为开展详细的输运与谱学研究，生长高质量的凯库梅超导体CsV3Sb5单晶。
• 探究在90 K以下观测到的异常霍尔响应的起源。
• 确定STM图像中观测到的1×4超晶格的性质与起源。
• 利用低温STM表征清洁极限下的超导隙与涡旋核心态。
• 探讨手性电荷序与Haldane模型和Varma模型等理论模型之间的关联。

提出的方法

• 采用助熔法生长大尺寸CsV3Sb5单晶，以确保高质量与低缺陷密度。
• 进行低温输运测量，探测约90 K处的电荷序转变与约2.5 K处的超导转变。
• 在4.2 K与0.4 K下进行扫描隧道显微镜（STM）测量，以成像电荷序图案与超导隙结构。
• 分析空间分辨谱学数据，提取超导隙大小，并在c轴磁场下观测涡旋核心束缚态。
• 将观测到的电荷序图案与凯库梅晶格模型及Haldane与Varma等理论框架的预测进行比较。
• 区分缺陷区域中由缺陷诱导的非本征电荷序效应与本征手性电荷序之间的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CsV3Sb5中，90 K以下观测到的异常霍尔响应的起源是什么？
• RQ2 STM图像中观测到的1×4超晶格如何与底层凯库梅晶格及2×2电荷序相关联？
• RQ3 CsV3Sb5中的2×2电荷序是否具有本征手性？若存在，其与异常霍尔效应有何关联？
• RQ4 CsV3Sb5的超导隙大小与配对强度如何？其是否表现出清洁极限超导性？
• RQ5 手性电荷序能否与Haldane模型或Varma的轨道电流模型相联系？

主要发现

• 在4.2 K下，STM证实了2×2电荷序的存在，缺陷区域中观测到本征手性，且与异常霍尔响应相关联。
• 1×4超晶格以小畴的形式出现，可能源于表面效应，与底层凯库梅晶格无明确关联。
• 在0.4 K下测得超导隙为2Δ = 0.85 meV，对应中等耦合强度，2Δ/kBTC = 3.9。
• 施加c轴磁场后，观测到超导隙内存在涡旋核心束缚态，证实了清洁极限超导性。
• 2×2电荷序的手性特征提示其可能与Haldane模型及Varma的轨道电流模型相关，为理解凯库梅材料中的拓扑现象提供了新途径。
• 缺陷诱导了电荷序中的非本征效应，从而可与纯净区域中的本征手性电荷序相区分。