[论文解读] Electrically controlled superconductor-insulator transition and giant anomalous Hall effect in kagome metal CsV3Sb5 nanoflakes

Guolin Zheng, Cheng Tan+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究通过质子掺杂实现了CsV3Sb5纳米薄片中电场可调的超导-绝缘体转变（SIT）和巨大的反常霍尔效应（AHE），该过程通过调制载流子密度和无序度实现。SIT源于无序增强的相位涨落，而巨大的AHE则源于具有有限贝里曲率的近简并能带中空穴的倾斜散射，揭示了在凯恩莫比乌斯金属中AHE、电荷密度波（CDW）序与超导性之间的强关联。

ABSTRACT

The electronic correlations (e.g. unconventional superconductivity (SC), chiral charge order and nematic order) and giant anomalous Hall effect (AHE) in topological kagome metals AV3Sb5 (A= K, Rb, and Cs) have attracted great interest. Electrical control of those correlated electronic states and AHE allows us to resolve their own nature and origin and to discover new quantum phenomena. Here, we show that a protonic gate can largely modulate the effective disorders and carrier density in CsV3Sb5 nanoflakes, leading to significant modifications of SC, unusual charge density wave (CDW) and giant AHE. Notably, we observed a direct superconductor-insulator transition (SIT) driven by superconducting phase fluctuation due to the doping-enhanced disorders, in addition to a large suppression of CDW. Meanwhile, the carrier density modulation shifts the Fermi level across the CDW gap and gives rise to a nontrivial evolution of AHE, in line with the asymmetric density of states of CDW sub-bands near the saddle point. With the first-principles calculations, we suggest the extrinsic skew scattering of holes in the nearly flat bands with finite Berry curvature by multiple impurities accounts for the giant AHE. Our work uncovers a disorder-driven bosonic SIT, outlines a global picture of the giant AHE and reveals its correlation with the unconventional CDW in the AV3Sb5 family.

研究动机与目标

• 探索凯恩莫比乌斯金属CsV3Sb5纳米薄片中非传统量子相的电场可调性。
• 阐明AV3Sb5族材料中巨大反常霍尔效应（AHE）的起源。
• 研究在电场调控下超导性、电荷密度波（CDW）序与电子关联性的相互作用。
• 建立对无序与载流子密度调制如何影响凯恩莫比乌斯体系中量子相的统一理解。

提出的方法

• 采用质子掺杂技术，对机械剥离的CsV3Sb5纳米薄片进行电场调控，以调节载流子密度与有效无序度。
• 在不同栅压下进行输运测量，包括电阻率与霍尔效应，以探测超导与反常霍尔响应。
• 利用第一性原理计算模拟电子结构与贝里曲率，将能带拓扑与AHE起源相联系。
• 通过栅压依赖的霍尔与电阻率测量，追踪CDW能隙与费米能级位置的演化。
• 应用相位涨落理论，解释在无序增强条件下观测到的超导-绝缘体转变（SIT）。
• 分析CDW亚能带中鞍点附近态密度的非对称性，以解释非平凡的AHE演化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV3Sb5纳米薄片中巨大反常霍尔效应的起源是什么？其受电子关联与能带拓扑的影响如何？
• RQ2 电场诱导的无序与载流子密度调制如何在CsV3Sb5中直接驱动超导-绝缘体转变？
• RQ3 费米能级跨越CDW能隙的程度在多大程度上以非平凡方式调制了反常霍尔效应？
• RQ4 在电场调控下，非传统电荷密度波（CDW）序与超导性之间存在何种关联？
• RQ5 在具有有限贝里曲率的近简并能带中，非本征倾斜散射是否可解释观测到的巨大AHE？

主要发现

• 通过质子掺杂观察到直接的超导-绝缘体转变（SIT），其驱动力为无序增强的相位涨落，临界栅压导致库珀对局域化。
• 随着栅压增加，电荷密度波（CDW）序显著被抑制，表明CDW形成受到强静电调控。
• 巨大反常霍尔效应随栅压表现出非平凡演化，与费米能级穿过CDW亚能带隙及鞍点附近态密度非对称性密切相关。
• 第一性原理计算证实，具有有限贝里曲率的近简并能带中空穴的倾斜散射是巨大AHE的主要机制。
• 费米能级跨越CDW能隙导致霍尔电阻率符号反转与非单调演化，与非平庸拓扑能带结构一致。
• 本研究建立了凯恩莫比乌斯金属中巨大AHE、CDW序与超导性之间全局关联图景，其中无序在驱动SIT中起关键作用。