[论文解读] Revealing the competition between charge-density wave and superconductivity in CsV$_3$Sb$_5$ through uniaxial strain

Tiema Qian, Morten H. Christensen+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 8

一句话总结

本研究揭示，在凯库梅超导体CsV₃Sb₅的*a*轴方向施加单轴应变可提高超导转变温度(*T*_C)，同时抑制电荷密度波（CDW）转变温度(*T*_CDW)，表明这两种序之间存在强烈竞争。关键发现是，受应变调制的*c*轴晶格参数是主导调控参数，*T*_C的增强主要源于CDW的抑制，而非超导参数的直接改变。

ABSTRACT

In this paper we report the impact of uniaxial strain $\varepsilon$ applied along the crystalline $a$ axis on the newly discovered kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$. At ambient conditions, CsV$_3$Sb$_5$ shows a charge-density wave (CDW) transition at $T_{ m CDW}=94.5$ K and superconducts below $T_C = 3.34$ K. In our study, when the uniaxial strain $\varepsilon$ is varied from $-0.90\%$ to $0.90\%$, $T_C$ monotonically increases by $\sim 33\%$ from 3.0 K to 4.0 K, giving rise to the empirical relation $T_C (\varepsilon)=3.4+0.56\varepsilon+0.12\varepsilon^2$. On the other hand, for $\varepsilon$ changing from $-0.76\%$ to $1.26\%$, $T_{ m CDW}$ decreases monotonically by $\sim 10\%$ from 97.5 K to 87.5 K with $T_{ m CDW}(\varepsilon)=94.5-4.72\varepsilon-0.60\varepsilon^2$. The opposite response of $T_C$ and $T_{ m CDW}$ to the uniaxial strain suggests strong competition between these two orders. Comparison with hydrostatic pressure measurements indicate that it is the change in the $c$-axis that is responsible for these behaviors of the CDW and superconducting transitions, and that the explicit breaking of the sixfold rotational symmetry by strain has a negligible effect. Combined with our first-principles calculations and phenomenological analysis, we conclude that the enhancement in $T_C$ with decreasing $c$ is caused primarily by the suppression of $T_{ m CDW}$, rather than strain-induced modifications in the bare superconducting parameters. We propose that the sensitivity of $T_{ m CDW}$ with respect to the changes in the $c$-axis arises from the impact of the latter on the trilinear coupling between the $M_1^+$ and $L_2^-$ phonon modes associated with the CDW. Overall, our work reveals that the $c$-axis lattice parameter, which can be controlled by both pressure and uniaxial strain, is a powerful tuning knob for the phase diagram of CsV$_3$Sb$_5$.

研究动机与目标

• 研究单轴应变下凯库梅材料CsV₃Sb₅中电荷密度波（CDW）序与超导性（SC）之间的相互作用。
• 确定观察到的*T*_C和*T*_CDW变化是由晶格应变效应引起，还是由竞争CDW序的抑制引起。
• 识别主导物理参数——特别是*c*轴晶格参数——在调控CsV₃Sb₅相图中的作用。

提出的方法

• 在单晶CsV₃Sb₅的*a*轴方向施加单轴应变，应变范围从−0.90%到+0.90%。
• 利用温度依赖的电阻率和磁化率测量，提取*T*_C和*T*_CDW随应变的变化关系。
• 采用唯象模型拟合*T*_C和*T*_CDW的应变依赖关系，得到经验关系式：*T*_C(ε) = 3.4 + 0.56ε + 0.12ε² 和 *T*_CDW(ε) = 94.5 − 4.72ε − 0.60ε²。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，分析应变下电子态密度和声子模式的变化。
• 理论分析聚焦于*M*₁⁺和*L*₂⁻声子模式之间的三线性耦合，该耦合决定CDW的形成，且对*c*轴晶格参数敏感。
• 与静水压数据对比表明，*c*轴是主要调控参数，单轴应变引起的旋转对称性破缺影响可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 沿*a*轴施加单轴应变如何影响CsV₃Sb₅的超导与电荷密度波转变温度？
• RQ2 在应变作用下，*T*_C和*T*_CDW变化的主导物理机制是什么——是超导参数的直接修改，还是竞争CDW序的抑制？
• RQ3 *T*_CDW的变化是否主要由声子频率的改变或*M*₁⁺与*L*₂⁻模式之间三线性耦合的改变引起？
• RQ4 *c*轴晶格参数在相竞争中起多大作用？其影响与旋转对称性破缺的影响相比如何？
• RQ5 应变下*T*_C的增强是否可归因于费米能级附近范霍夫奇异性电子态密度的变化？

主要发现

• 在−0.90%至+0.90%的应变范围内，沿*a*轴施加单轴应变使*T*_C从3.0 K提高至4.0 K，对应约33%的增强。
• *T*_CDW随应变从−0.76%增至+1.26%而单调下降，从97.5 K降至87.5 K，表明CDW序被强烈抑制。
• *T*_C和*T*_CDW的经验应变依赖关系可通过二次拟合良好描述：*T*_C(ε) = 3.4 + 0.56ε + 0.12ε² 和 *T*_CDW(ε) = 94.5 − 4.72ε − 0.60ε²。
• *T*_C的增强主要源于竞争CDW不稳定性被抑制，而非超导参数或电子态密度的直接修改。
• 第一性原理计算表明，费米能级附近的范霍夫奇异性在应变下被抑制，若该效应占主导，将降低*T*_C——与观察到的*T*_C增加相矛盾。
• 结果表明，*M*₁⁺与*L*₂⁻声子模式之间的三线性耦合（对*c*轴晶格参数敏感）是应变调控*T*_CDW并间接控制*T*_C的关键机制。