[論文レビュー] Competition of superconductivity and charge density wave in selective oxidized CsV3Sb5 thin flakes

Yanpeng Song, Tianping Ying+7 more|PubMed|May 20, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、剥離したCsV3Sb5薄膜フラクチュアの選択的酸化が、ホールドーピングを誘導し、超伝導転移温度（Tc）を向上させるとともに上臨界磁場を増大させ、電荷密度波（CDW）秩序を抑制することを示した。観察された超伝導ドームおよびTcの向上は、フェルミ準位付近のヴァン・ホーブ特異性に起因するとされ、AV3Sb5がkagome格子における電子相関に起因する量子相を研究するためのチューナブルな2次元プラットフォームであることが確立された。

ABSTRACT

The recently discovered layered kagome metals AV_{3}Sb_{5} (A=K, Rb, and Cs) with vanadium kagome networks provide a novel platform to explore correlated quantum states intertwined with topological band structures. Here we report the prominent effect of hole doping on both superconductivity and charge density wave (CDW) order, achieved by selective oxidation of exfoliated thin flakes. A superconducting dome is revealed as a function of the effective doping content. The superconducting transition temperature (T_{c}) and upper critical field in thin flakes are significantly enhanced compared with the bulk, which are accompanied by the suppression of CDW. Our detailed analyses establish the pivotal role of van Hove singularities in promoting correlated quantum orders in these kagome metals. Our experiments not only demonstrate the intriguing nature of superconducting and CDW orders, but also provide a novel route to tune the carrier concentration through both selective oxidation and electric gating. This establishes CsV_{3}Sb_{5} as a tunable 2D platform for the further exploration of topology and correlation among 3d electrons in kagome lattices.

研究の動機と目的

• kagome格子材料における超伝導性と電荷密度波（CDW）秩序の相乗的相互作用を調査すること。
• 選択的酸化によって誘導されるホールドーピングが、CsV3Sb5薄膜における超伝導相およびCDW相に与える影響を調査すること。
• ヴァン・ホーブ特異性（VHS）がAV3Sb5 kagome金属における相関性に起因する量子秩序を促進する役割を確立すること。
• 酸化と電圧ゲーティングを組み合わせることで、2次元kagome系におけるキャリア濃度をチューニングする新規ルートを示すこと。
• 3d電子系におけるトポロジーと電子相関を研究するためのチューナブルな2次元プラットフォームを構築すること。

提案手法

• CsV3Sb5の剥離薄膜を用いて、制御されたホールドーピングを誘導するための選択的酸化を実施した。
• 抵抗率および磁気抵抗の測定を用いて、超伝導転移およびCDW転移を調べた。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）データの解析により、フェルミ準位付近のヴァン・ホーブ特異性（VHS）がTcをどのように向上させるかを特定した。
• 酸化時間と化学分析を用いて有効ドーピングレベルを定量し、TcおよびCDW抑制と照らし合わせた。
• 電圧ゲーティングを酸化と併用することで、キャリア濃度をさらにチューニングし、チューナビリティを検証した。
• 有効ホールドーピングの関数としてTcをプロットすることで、超伝導ドームを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 選択的酸化によるホールドーピングが、CsV3Sb5薄膜フラクチュアにおける超伝導転移温度（Tc）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ホールドーピングは、AV3Sb5における電荷密度波（CDW）秩序の抑制にどのような影響を及えるか？
• RQ3 フェルミ準位付近のヴァン・ホーブ特異性（VHS）は、kagome金属における超伝導対形成をどの程度強化するか？
• RQ4 選択的酸化は、2次元kagome系におけるキャリア濃度チューニングの実用的手段として有効であるか？
• RQ5 薄膜フラクチュアにおける超伝導挙動は、バルクCsV3Sb5と比べてどのように異なるか？

主な発見

• 有効ホールドーピングの関数として超伝導ドームが出現し、中間的ドーピング領域で最適なTcが達成されることを示した。
• 薄膜フラクチュアにおける超伝導転移温度（Tc）はバルクに比べ顕著に向上し、クリーニングサンプルよりも高い値を示した。
• 薄膜フラクチュアにおける上臨界磁場（Hc2）は顕著に増大し、より強い超伝導対形成または対の破壊効果の低減を示唆した。
• 電荷密度波（CDW）秩序は、ホールドーピングの増加に伴い段階的に抑制され、CDWと超伝導性の競合関係を示した。
• Tcの向上およびCDWの抑制は、フェルミ準位付近のヴァン・ホーブ特異性（VHS）の存在と強く相関していた。
• 選択的酸化は、キャリア濃度のチューナブルな制御を可能にし、AV3Sb5がkagome格子における相関およびトポロジーを研究するための実用的2次元プラットフォームであることを確立した。