[论文解读] 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 16

一句话总结

本研究证明，对剥离的CsV3Sb5薄片进行选择性氧化可诱导空穴掺杂，从而提高超导转变温度（Tc）和上临界磁场，同时抑制电荷密度波（CDW）序。观察到的超导穹形曲线及Tc增强可归因于费米能级附近的范霍夫奇点，确立了AV3Sb5作为研究凯莫夫晶格中关联驱动量子态的可调制二维平台。

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.

研究动机与目标

• 研究凯莫夫晶格材料中超导性与电荷密度波（CDW）序之间的相互作用。
• 探讨通过选择性氧化诱导的空穴掺杂如何影响CsV3Sb5薄片中超导相与CDW相的行为。
• 阐明范霍夫奇点在促进AV3Sb5凯莫夫金属中关联量子序中的作用。
• 展示一种利用氧化与电栅压调控二维凯莫夫体系载流子浓度的新途径。
• 构建一个用于研究3d电子体系中拓扑与电子关联的可调制二维平台。

提出的方法

• 对剥离的CsV3Sb5薄片进行选择性氧化，以引入可控的空穴掺杂。
• 通过电阻率和磁阻等输运测量，探测超导与CDW转变。
• 分析角分辨光电子能谱（ARPES）数据，以识别范霍夫奇点（VHS）在增强Tc中的作用。
• 通过氧化时间与化学分析量化有效掺杂水平，从而与Tc及CDW抑制效应建立关联。
• 结合氧化与电栅压，进一步调控载流子浓度并验证其可调性。
• 通过绘制Tc随有效空穴掺杂量变化的曲线，提取出超导穹形曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过选择性氧化实现的空穴掺杂如何影响CsV3Sb5薄片中超导转变温度（Tc）？
• RQ2 空穴掺杂对AV3Sb5中电荷密度波（CDW）序的抑制程度如何？
• RQ3 费米能级附近的范霍夫奇点（VHS）在多大程度上增强凯莫夫金属中的超导配对？
• RQ4 选择性氧化是否可作为调控二维凯莫夫体系载流子浓度的可行方法？
• RQ5 薄片中的超导行为与体相CsV3Sb5相比有何异同？

主要发现

• 随着有效空穴掺杂量的增加，出现超导穹形曲线，表明在中等掺杂水平下Tc达到最优。
• 与体相材料相比，薄片中的超导转变温度（Tc）显著提高，甚至超过原始样品的值。
• 薄片中的上临界磁场（Hc2）明显增强，表明超导配对更强或对成对破坏效应的抑制更显著。
• 随着空穴掺杂量的增加，电荷密度波（CDW）序被逐步抑制，表明CDW与超导性之间存在竞争关系。
• Tc的增强与CDW的抑制均与费米能级附近范霍夫奇点（VHS）的存在密切相关。
• 选择性氧化可实现载流子浓度的可调制，确立AV3Sb5作为研究凯莫夫晶格中关联与拓扑效应的可行二维平台。