[论文解读] Nodeless superconductivity in kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$ with and without time reversal symmetry breaking

Wei Zhang, Xinyou Liu+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 5

一句话总结

本研究通过非磁性杂质散射和自场临界电流（Ic,sf）测量，在常压和高压条件下研究了钾锰矿型金属CsV₃Sb₅中的超导配对对称性。研究发现，无论电荷密度波（CDW）相中是否存在时间反演对称性破缺（TRSB），超导配对均为无节点的s波，表明常规配对在TRSB正常态中依然保持稳定。

ABSTRACT

The kagome metal CsV$_{3}$Sb$_{5}$ features an unusual competition between the charge-density-wave (CDW) order and superconductivity. Evidence for time-reversal symmetry breaking (TRSB) inside the CDW phase has been accumulating. Hence, the superconductivity in CsV$_{3}$Sb$_{5}$ emerges from a TRSB normal state, potentially resulting in an exotic superconducting state. To reveal the pairing symmetry, we first investigate the effect of nonmagnetic impurity. Our results show that the superconducting critical temperature is insensitive to disorder, pointing to conventional $s$-wave superconductivity. Moreover, our measurements of the self-field critical current ($I_{c,sf}$), which is related to the London penetration depth, also confirm conventional $s$-wave superconductivity with strong coupling. Finally, we measure $I_{c,sf}$ where the CDW order is removed by pressure and superconductivity emerges from the pristine normal state. Our results show that $s$-wave gap symmetry is retained, providing strong evidence for the presence of conventional $s$-wave superconductivity in CsV$_{3}$Sb$_{5}$ irrespective of the presence of the TRSB

研究动机与目标

• 确定CsV₃Sb₅的CDW相中时间反演对称性破缺（TRSB）是否改变超导配对对称性。
• 研究在TRSB存在下，超导性对非磁性杂质散射的鲁棒性。
• 通过静水压抑制CDW相，探测本征正常态中的超导能隙对称性。
• 确定CsV₃Sb₅中的超导态是否为常规s波，尽管存在TRSB和异常霍尔效应的证据。

提出的方法

• 测量了多个具有不同残余电阻率比（RRRs）的CsV₃Sb₅单晶的临界温度（Tc），以评估其对非磁性杂质的敏感性。
• 采用自场临界电流（Ic,sf）测量，提取超流密度的温度依赖性并推断能隙对称性。
• 施加静水压（>20 kbar）以完全抑制CDW相，并在本征超导态中测量Ic,sf。
• 使用集成有微电极和h-BN封装的钻石对顶砧装置，对机械剥离的薄片进行高压输运测量。
• 通过红宝石荧光监测压力，并采用脉冲电流-电压测量以避免加热效应。
• 将2Δ/kBTc比值与接近CDW量子临界点的程度相关联，以评估耦合强度的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅的CDW相中时间反演对称性破缺（TRSB）的存在是否导致非常规超导配对态？
• RQ2 非磁性杂质散射如何影响CsV₃Sb₅中的超导临界温度（Tc）？这对配对对称性有何含义？
• RQ3 在无CDW序的情况下，超导能隙是否无节点？当超导性从本征正常态出现时，其是否仍保持s波对称性？
• RQ4 当通过静水压将系统从CDW相调制远离时，超导耦合强度（2Δ/kBTc）如何演化？

主要发现

• 超导临界温度（Tc）对残余电阻率比（RRR）的变化不敏感，表明其对非磁性杂质具有强鲁棒性，支持常规s波配对。
• 在常压下，自场临界电流（Ic,sf）测量显示T依赖行为与无节点s波超导性及强电子-玻色子耦合一致。
• 在高压（>20 kbar）下，CDW序被完全抑制，Ic,sf测量仍表现出无节点s波能隙对称性，证实了在本征态中常规配对的持续存在。
• 2Δ/kBTc比值在CDW相之外随压力增加而减小，表明系统远离CDW量子临界点时耦合强度增强。
• 数据中未观测到Hebel-Slichter相干峰，与节点配对不一致，进一步支持无节点s波能隙。
• 结果表明，CDW相中的TRSB并未诱导非常规配对，CsV₃Sb₅中的超导态本质上是常规s波，无论正常态是否具有对称性破缺。