[論文レビュー] Nodeless superconductivity in kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$ with and without time reversal symmetry breaking

Wei Zhang, Xinyou Liu+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、非磁性不純物散乱および自己磁場臨界電流（Ic,sf）測定を用いて、常圧および高圧下におけるカゴメ金属CsV₃Sb₅における超伝導ペアリング対称性を調査した。時間反転対称性の破れ（TRSB）を示す電荷密度波（CDW）相であっても、ノードのないギャップを示す頑健なs波超伝導が観測された。これは、TRSB状態下でも常識的ペアリングが維持されることを示している。

ABSTRACT

The kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$ features an unusual competition between the charge-density-wave (CDW) order and superconductivity. Evidence for time-reversal symmetry breaking (TRSB) inside the CDW phase has been accumulating. Hence, the superconductivity in CsV$_{3}$Sb$_{5}$ emerges from a TRSB normal state, potentially resulting in an exotic superconducting state. To reveal the pairing symmetry, we first investigate the effect of nonmagnetic impurity. Our results show that the superconducting critical temperature is insensitive to disorder, pointing to conventional $s$-wave superconductivity. Moreover, our measurements of the self-field critical current ($I_{c,sf}$), which is related to the London penetration depth, also confirm conventional $s$-wave superconductivity with strong coupling. Finally, we measure $I_{c,sf}$ where the CDW order is removed by pressure and superconductivity emerges from the pristine normal state. Our results show that $s$-wave gap symmetry is retained, providing strong evidence for the presence of conventional $s$-wave superconductivity in CsV$_{3}$Sb$_{5}$ irrespective of the presence of the TRSB

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅のCDW相における時間反転対称性の破れ（TRSB）が、超伝導ペアリング対称性に影響を与えるかどうかを特定すること。
• TRSBが存在する状況下での非磁性不純物散乱に対する超伝導の頑健性を調査すること。
• 静水圧を用いてCDW相を抑制することで、真性の正常状態における超伝導ギャップ対称性を解明すること。
• TRSBおよび異常ホール効果の証拠があるにもかかわらず、CsV₃Sb₅における超伝導状態が常識的s波であるか、非自明な性質を示すかを確立すること。

提案手法

• 非磁性不純物に対する感受性を評価するため、残留抵抗比（RRR）が異なる多数のCsV₃Sb₅単結晶の臨界温度（Tc）を測定した。
• 自己磁場臨界電流（Ic,sf）測定を用いて、超伝導密度の温度依存性を抽出し、ギャップ対称性を推定した。
• 静水圧（20 kbar以上）を用いてCDW相を完全に抑制し、真性超伝導状態におけるIc,sfを測定した。
• 剥離した薄いフラクタルにマイクロエレクトロードとh-BNカプセル化を組み合わせたデバイス統合型ダイヤモンドアンビルセルを用いて、高圧下での輸送測定を行った。
• ルビーの蛍光を用いて圧力をモニタリングし、加熱効果を避けるためにパルス電流-電圧測定を実施した。
• 2Δ/kBTc比をCDW量子臨界点への接近度と関連づけ、結合定数の進化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅のCDW相に時間反転対称性の破れ（TRSB）が存在する場合、それが非自明な超伝導ペアリング状態を引き起こすか？
• RQ2 非磁性不純物散乱がCsV₃Sb₅の超伝導臨界温度（Tc）に与える影響は何か？ これはペアリング対称性に何を示唆するか？
• RQ3 CDW秩序が存在しない状態では、超伝導ギャップはノードを有しないか？ また、真性の正常状態から超伝導が出現する際、s波対称性を維持するか？
• RQ4 静水圧を用いてCDW相から系をチューニングする際、超伝導結合定数（2Δ/kBTc）はどのように変化するか？

主な発見

• 残留抵抗比（RRR）の変動に対して超伝導臨界温度（Tc）が感受されないことは、非磁性不純物に対して頑健であり、常識的s波ペアリングを支持する。
• 常圧下での自己磁場臨界電流（Ic,sf）測定は、ノードのないs波超伝導および強い電子ボソン結合と整合する温度依存性を示した。
• CDW秩序が完全に抑制された高圧（20 kbar以上）下でも、Ic,sf測定はノードのないs波ギャップ対称性を示し、真性状態における常識的ペアリングの持続を確認した。
• CDW相を超えて圧力を上昇させると、2Δ/kBTc比が減少し、CDW量子臨界点から離れるに従い結合定数が強化されることを示唆した。
• データにヘーブル・スリッターのコherenec peakが観測されないことは、ノードを有するペアリングとは整合せず、ノードのないs波ギャップをさらに支持した。
• 本結果は、CDW相におけるTRSBが非自明なペアリングを誘発しないこと、かつCsV₃Sb₅における超伝導状態が、正常状態の対称性の破れに関わらず根本的に常識的s波であることを示した。