[论文解读] Colossal c-axis response and lack of rotational symmetry breaking within the kagome plane of the CsV$_3$Sb$_5$ superconductor

Mehdi Frachet, Liran Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究揭示，CsV₃Sb₅中的电荷密度波（CDW）态对c轴应变表现出巨大的响应，且在kagome平面内未发现旋转对称性破缺的证据。CDW相表现出由电子-电子散射驱动的强烈增强的A₁g对称弹性电阻率，而超导性与CDW在c轴调制下存在强烈竞争，表明c轴是调控该kagome超导体电子不稳定性的主要参数。

ABSTRACT

The kagome materials AV4$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs) host an intriguing interplay between unconventional superconductivity and charge-density-waves. Here, we investigate CsV$_3$Sb$_5$ by combining high-resolution thermal-expansion, heat-capacity and electrical resistance under strain measurements. We directly unveil that the superconducting and charge-ordered states strongly compete, and that this competition is dramatically influenced by tuning the crystallographic c-axis. In addition, we report the absence of additional bulk phase transitions within the charge-ordered state, notably associated with rotational symmetry-breaking within the kagome planes. This suggests that any breaking of the C$_6$ invariance occurs via different stacking of C$_6$-symmetric kagome patterns. Finally, we find that the charge-density-wave phase exhibits an enhanced A$_{1g}$-symmetric elastoresistance coefficient, whose large increase at low temperature is driven by electronic degrees of freedom.

研究动机与目标

• 研究应变下CsV₃Sb₅中超导性与电荷密度波（CDW）序之间的相互作用。
• 确定CDW态是否通过热力学与弹性电阻率测量在kagome平面内破缺六重旋转对称性（C₆）。
• 阐明CDW相中巨大弹性电阻率响应的起源及其对称性通道。
• 评估c轴调制在调制CDW与超导态之间竞争关系中的作用。
• 通过结合高分辨率热力学与输运测量，解决AV₃Sb₅中关于电子向列性与对称性破缺的相互矛盾报告。

提出的方法

• 对来自两个来源（上海与卡尔斯鲁厄）的CsV₃Sb₅单晶进行了高分辨率热膨胀与比热测量，以探测体积极热力学响应。
• 沿[100]方向施加单轴应变以测量弹性电阻率，并将对称性分解为A₁g与E₂g通道，以识别电子各向异性的本质。
• 采用Kadowaki-Woods关系（A ∝ γ²）将电阻率系数A与电子比热系数γ关联，从而推断电子-电子散射的贡献。
• 利用应变依赖的电阻率与热膨胀测量，分离电子-声子与电子-电子散射的贡献。
• 将弹性电阻率数据与未经校正的残余电阻率进行比较，表明先前报道的约T ≈ 35 K处的下降趋势很可能是由于未计入的残余电阻率所致。
• 交叉比对X射线衍射与先前的弹性电阻率数据，以评估其与报告的C₆对称性破缺及堆叠畸变的一致性。

Figure 1: (a) Relative length changes, $\Delta L/L$ , along the hexagonal directions and corresponding volume change as a function of temperature. The black vertical dashed line indicates T CDW . (b) Comparison of $\Delta L_{i}/L_{i}$ measured along the orthogonal [100] and [210] hexagonal direction

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅中的电荷密度波态是否在kagome平面内破缺六重旋转对称性？
• RQ2 CDW相中巨大弹性电阻率响应的起源是什么？其主导对称性通道为何？
• RQ3 c轴调制如何影响超导性与电荷密度波序之间的竞争？
• RQ4 是否存在热力学证据表明CDW态内存在额外的体相变，例如与c轴周期性或向列序相关的相变？
• RQ5 在低温下，电子-电子散射对弹性电阻率的贡献在多大程度上占主导地位，特别是在CDW相中？

主要发现

• CsV₃Sb₅中的CDW态对c轴应变表现出巨大响应，A₁g对称弹性电阻率系数在20 K时达到mₐ₁g ≈ 120。
• 在T_CDW以下未发现正交畸变或额外体相变的热力学证据，表明kagome平面内的六重旋转对称性得以保持。
• 在整个温度范围内，E₂g对称弹性电阻率响应可忽略不计，排除了面内向列性与各向异性应变的直接耦合。
• 巨大的A₁g弹性电阻率主要由电子贡献，其温度依赖性由低温下电子-电子散射的增强所驱动。
• 观测到的mₐ₁g增强与[100]单轴压力下电子比热系数γ的减小相关，符合Kadowaki-Woods关系。
• 先前报道的约T ≈ 35 K处弹性电阻率的下降被证明是未校正残余电阻率所致的伪影，而非真实的电子相变。

Figure 2: (a) Linear slopes of the resistance versus strain curves, $1/\left(R_{ii}-R_{0}\right)\left(dR_{ii}/d\epsilon_{xx}\right)$ , in the longitudinal ( $i=x$ , red symbols) and transverse ( $i=y$ , blue symbols) channels. The empty symbols correspond to resistance variation relative to the tota