[论文解读] Charge-Density-Waves Tuned by Crystal Symmetry

A. Gallo–Frantz, A. A. Sinchenko+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2023

High-pressure geophysics and materials被引用 4

一句话总结

本研究证明，TbTe₃ 的双轴机械形变可诱导电荷密度波（CDW）取向发生可逆转变，即从 c 轴转向 a 轴，且当 a/c 晶格比增加时，在 a/c = 1.000 附近出现共存区域。该转变由应变引起的 CDW 转变温度 Tc 变化驱动，Tc 随 a/c 呈线性变化，且可通过二维紧束缚模型定量解释，揭示了 RTe₃ 系统中晶体对称性与电子序之间的直接关联。

ABSTRACT

The electronic orders appearing in condensed matter systems are originating from the precise arrangement of atoms constituting the crystal as well as their nature. This teneous relationship can lead to highly different phases in condensed matter, and drive electronic phase transitions. Here, we show that a very slight deformation of the crystal structure of TbTe$_3$ can have a dramatic influence on the electronic order that is stabilized. In particular, we show that the Charge Density Wave (CDW) developping along the $\vec{c}$ axis in the pristine state, switches to an orientation along $\vec{a}$ when the naturally orthorhombic system is turned into a tetragonal system. This is achieved by performing true biaxial mechanical deformation of a TbTe$_3$ sample from 250K to 375K, and by measuring both structural and electronic parameters with x-ray diffraction and transport measurements. We show that this switching transition is driven by the tetragonality parameter $a/c$, and that the transition occurs for $a=c$, with a coexistence region for $0.9985< a/c < 1.002$. The CDW transition temperature $T_c$ is found to have a linear dependence with $a/c$, with no saturation in the deformed states investigated here, while the gap saturates out of the coexistence region. The linear dependence of $T_c$ is accounted for within a tight-binding model. Our results question the relationship between the gap and $T_c$ in RTe$_3$ systems. More generally, our method of applying true biaxial deformation at cryogenic temperatures can be applied to many systems displaying electronic phase transitions, and opens a new route towards the study of coexisting or competing electronic orders in condensed matter.

研究动机与目标

• 研究晶体对称性，特别是 a/c 晶格比，如何调控 TbTe₃ 中电荷密度波（CDW）的取向。
• 探讨机械应变在驱动准二维量子材料中电子相变中的作用。
• 在 RTe₃ 化合物中建立结构形变与 CDW 转变温度 Tc 之间的直接定量关联。
• 在不同晶格对称性下，研究 CDW 间隙与 Tc 的关系，挑战传统假设。
• 开发并应用一种低温双轴形变装置，实现原位 XRD 和电阻率测量，以实时监测结构与电子响应。

提出的方法

• 通过一种定制设计的装置，利用聚酰亚胺十字形基底沿 a 和 c 晶体学方向施加真实的双轴拉伸应力，对 TbTe₃ 晶体施加双轴拉伸应力。
• 采用原位 X 射线衍射（XRD）测量结构参数，包括 CDW 饱和峰强度及晶格常数 a 和 c，以追踪形变过程中的 a/c 比。
• 采用四端电阻率配置，在 a 和 c 方向上进行输运测量，通过电阻率异常检测 CDW 的形成与取向。
• 在不同应变条件下，从电阻率随温度变化的曲线中提取 CDW 转变温度 Tc。
• 采用包含电子-电子和电子-声子耦合的二维紧束缚模型，解释 Tc 与 a/c 比之间的线性依赖关系，引入屏蔽库仑相互作用 U(Q) 和 Lindhard 电子响应函数 χ(T,Q)。
• 进行 χ(T,Q₀) 及其温度导数的理论计算，以推导 Tc 对应变的敏感性，使用 TbTe₃ 的参数：t∥ ≈ 2 eV，t⊥ ≈ 0.37 eV，EF ≈ 1.48 eV，ζ ≈ 0.23 Å⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 受控 a/c 比的双轴机械应变如何影响 TbTe₃ 中电荷密度波的取向？
• RQ2 在应变 TbTe₃ 中，CDW 转变温度 Tc 与晶格参数比 a/c 之间存在何种定量关系？
• RQ3 当 Tc 继续增加时，CDW 间隙是否趋于饱和？这在 RTe₃ 系统中对 Tc-间隙关系意味着什么？
• RQ4 包含屏蔽库仑相互作用的二维紧束缚模型能否定量解释观测到的 Tc(a/c) 线性依赖关系？
• RQ5 在四角点（a/c = 1）处的电子态性质是什么？其是否支持 a 和 c 方向同时存在的 CDW 有序？

主要发现

• 随着 a/c 比增加，CDW 取向从 c 轴转变为 a 轴，呈现连续转变，并在 0.9985 < a/c < 1.002 范围内出现共存区域。
• CDW 转变温度 Tc 随 a/c 比呈线性变化，在 a/c = 1.000 处达到最小值，当 a 晶格参数增加 0.2% 时，Tc 上升约 20 K。
• Tc 对 a/c 的线性依赖关系可通过包含屏蔽库仑相互作用和 Lindhard 电子响应函数的二维紧束缚模型定量解释，理论预测的 δTc/δa ≈ 26 K/0.1% 应变，与实验结果良好一致。
• 在纯 CDW 相中（沿 a 或 c 方向），CDW 间隙趋于饱和，而 Tc 仍随应变继续增加，表明 RTe₃ 系统中间隙与 Tc 存在解耦。
• 在 a/c = 1.000 时，系统处于简并态，Tcx 与 Tcy 相等，导致 a 和 c 方向同时存在 CDW 有序，并增强涨落。
• 本研究证明，低温下真实的双轴应变可实现对电子序的精确调控，并为探测量子材料中竞争或共存电子相提供了新平台。