[论文解读] Incommensurate charge-stripe correlations in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_{5-x}$Sn$_x$

Linus Kautzsch, Yuzki M. Oey+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用 2

一句话总结

本研究追踪了空穴掺杂凯格莫超导体CsV₃Sb₅₋ₓSnₓ中电荷关联的演化，揭示了母体2×2×4电荷密度波（CDW）序的抑制导致非公度、准一维（准1D）电荷条纹的出现。这些强韧的非公度关联即使在长程CDW序消失后依然存在，表明在整个相图中存在一种内在的2kf电荷不稳定性以及潜在的电子向列性。

ABSTRACT

We track the evolution of charge correlations in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ as its parent, long-ranged charge density order is destabilized. Upon hole-doping doping, interlayer charge correlations rapidly become short-ranged and their periodicity is reduced by half along the interlayer direction. Beyond the peak of the first superconducting dome, the parent charge density wave state vanishes and incommensurate, quasi-1D charge correlations are stabilized in its place. These competing, unidirectional charge correlations demonstrate an inherent electronic rotational symmetry breaking in CsV$_3$Sb$_5$, independent of the parent charge density wave state and reveal a complex landscape of charge correlations across the electronic phase diagram of this class of kagome superconductors. Our data suggest an inherent 2$k_f$ charge instability and the phenomenology of competing charge instabilities is reminiscent of what has been noted across several classes of unconventional superconductors.

研究动机与目标

• 研究通过空穴掺杂抑制CsV₃Sb₅中母体2×2×4电荷密度波（CDW）序时，电荷关联的演化过程。
• 确定在长程CDW序被抑制后，竞争性或隐藏的电荷不稳定性是否依然存在。
• 确定超导区中出现的电荷关联的性质与对称性。
• 阐明电子向列性与竞争性电荷不稳定性在AV₃Sb₅超导体家族中的作用。

提出的方法

• 利用CHESS ID4B光束线的同步辐射X射线衍射，探测温度与掺杂下实空间电荷关联及超晶格对称性的演化。
• 采用透射模式单晶X射线衍射，实现360°旋转与0.1°角分辨率，绘制倒空间强度分布。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）成像表面电荷序，并与体相X射线结果进行关联。
• 对X射线衍射与STM dI/dV图进行傅里叶变换，提取波矢依赖的电荷关联与准粒子干涉图案。
• 分析SQUID磁力计获得的磁化率数据，表征不同掺杂区域的超导与CDW转变行为。
• 对比两种掺杂水平（x = 0.025与x = 0.15）的X射线与STM数据，追踪从公度到非公度电荷序的演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CsV₃Sb₅中，随着空穴掺杂抑制母体2×2×4 CDW序，层间电荷关联如何演化？
• RQ2 在长程2×2×4 CDW序消失的情况下，何种电荷序出现？其对称性与周期性如何？
• RQ3 观测到的非公度准1D电荷关联是否与费米面上的2kf不稳定性相关？
• RQ4 电子向列性是否在CDW转变之后依然存在？其与竞争性电荷不稳定性之间有何关联？
• RQ5 CsV₃Sb₅−xSnx中的电荷关联与铜氧化物超导体（尤其是过掺杂区）相比有何异同？

主要发现

• 在x = 0.025时，Sn取代抑制了层间CDW关联，使超晶格从2×2×4减小为2×2×2，且层间短程有序性减弱。
• 在x = 0.15时，母体2×2×4 CDW序完全消失，出现非公度、准一维电荷关联，周期性约为4a₀。
• X射线衍射未在0.5QBragg位置观察到布拉格峰，证实x = 0.15时不存在长程2×2 CDW序。
• 在x = 0.15时的STM测量确认，即使在无2×2 CDW序的情况下，表面低温下仍存在准1D电荷条纹。
• STM数据的傅里叶变换显示，与Sb pz能带相关的主导散射波矢q1的底部能量从x=0时的-600 meV移动至x=0.15时的≈-500 meV，与空穴掺杂一致。
• 数据表明存在一种内在的2kf电荷不稳定性与电子向列性，其在整个相图中持续存在，且独立于母体CDW态。