[论文解读] Nematic electronic state and twofold symmetry of superconductivity in the topological kagome metal CsV$_3$Sb$_5$

Ying Xiang, Qing Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究通过面内磁场旋转下的c轴电阻率测量，在kagome金属CsV₃Sb₅中揭示了向列电子态和二重对称性超导性。该研究识别出正交的向列序与超导序，凸显了在具有拓扑特性的关联量子材料中二者之间的相互作用。

ABSTRACT

In transition metal compounds, due to the interactions among the charge, spin, lattice and orbital freedoms, many intertwined orders exist with close energies. One of the commonly observed states is the so-called nematic electron state, which breaks the in-plane rotational symmetry. This nematic state appears in cuprates, iron based superconductor, ultra-clean quantum Hall systems, and Sr$_3$Ru$_2$O$_7$, etc. Nematicity may coexist, affect, cooperate or compete with other orders. Here we show the anisotropic in-plane electronic state and superconductivity in a recently discovered kagome metal CsV$_3$Sb$_5$ by measuring $c$-axis resistivity with the in-plane rotation of magnetic field. We observe a twofold symmetry of superconductivity in the superconducting state and a unique in-plane nematic electronic state above $T_c$. Interestingly these two orders are orthogonal to each other in terms of the field direction of the minimum resistivity. Our results shed new light in understanding non-trivial physical properties of CsV$_3$Sb$_5$.

研究动机与目标

• 研究kagome金属CsV₃Sb₅中的电子各向异性和超导对称性。
• 确定向列序与超导性是否共存，以及它们之间的取向关系。
• 探讨具有拓扑能带结构的体系中电子向列性与超导性的相互作用。
• 阐明面内旋转对称性破缺在关联kagome材料中的作用。

提出的方法

• 通过面内磁场旋转下的c轴电阻率测量，探测各向异性的电子响应。
• 分析电阻率极小值的角依赖性，以确定超导态的对称性。
• 在超导转变温度Tc以上识别出向列电子态。
• 比较正常态与超导态下电阻率最小值对应的磁场方向，以确定对称性对齐关系。
• 利用角依赖性区分向列序与超导序参数。
• 聚焦于动量空间中向列序与超导序之间的正交关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅中的向列电子态是否破坏了面内旋转对称性？若是，其对称性为何？
• RQ2 CsV₃Sb₅中超导态的对称性是什么？它与向列态有何关联？
• RQ3 从磁场依赖的电阻率极小值来看，向列序与超导序是共线还是正交？
• RQ4 Tc以上的向列态如何影响或与Tc以下的超导态相关联？
• RQ5 向列序与超导序在对称性上的正交排列对kagome金属中基本电子相互作用意味着什么？

主要发现

• 在CsV₃Sb₅中，于超导转变温度Tc以上观察到明显的面内向列电子态。
• c轴电阻率的角依赖性揭示了超导态具有二重旋转对称性。
• 在使电阻率最小的磁场方向上，向列态与超导态呈正交关系。
• 向列态在Tc以上持续存在，并与超导性共存，表明存在交织的序参量。
• 向列性与超导性之间对称性的正交性表明，存在竞争或协同的电子不稳定性的复杂相互作用。
• 这些发现为拓扑kagome金属中非平凡电子关联提供了新见解。