[论文解读] Titanium doped kagome superconductor CsV3-xTixSb5 and two distinct phases

Haitao Yang, Zihao Huang+23 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Iron-based superconductors research参考文献 44被引用 4

一句话总结

本研究首次合成了钛掺杂的kagome超导体CsV3-xTixSb5，揭示了两种具有截然不同电子序的超导相。在kagome层中进行Ti取代在低掺杂时诱导出V形超导能隙，抑制电荷密度波（CDWs）、异常霍尔效应（AHE）和向键性，而高掺杂则导致U形能隙和短程CDW，长程序被破坏，双对称性电阻各向异性消失。

ABSTRACT

The vanadium-based kagome superconductor CsV3Sb5 has attracted tremendous attention due to its unexcepted anomalous Hall effect (AHE), charge density waves (CDWs), nematicity, and a pseudogap pair density wave (PDW) coexisting with unconventional strong-coupling superconductivity (SC). The origins of CDWs, unconventional SC, and their correlation with different electronic states in this kagome system are of great significance, but so far, are still under debate. Chemical doping in the kagome layer provides one of the most direct ways to reveal the intrinsic physics, but remains unexplored. Here, we report, for the first time, the synthesis of Ti-substituted CsV3Sb5 single crystals and its rich phase diagram mapping the evolution of intertwining electronic states. The Ti atoms directly substitute for V in the kagome layers. CsV3-xTixSb5 shows two distinct SC phases upon substitution. The Ti slightly-substituted phase displays an unconventional V-shaped SC gap, coexisting with weakening CDW, PDW, AHE, and nematicity. The Ti highly-substituted phase has a U-shaped SC gap concomitant with a short-range rotation symmetry breaking CDW, while long-range CDW, twofold symmetry of in-plane resistivity, AHE, and PDW are absent. Furthermore, we also demonstrate the chemical substitution of V atoms with other elements such as Cr and Nb, showing a different modulation on the SC phase and CDWs. These findings open up a way to synthesise a new family of doped CsV3Sb5 materials, and further representing a new platform for tuning the different correlated electronic states and superconducting pairing in kagome superconductors.

研究动机与目标

• 探究钒基超导体CsV3Sb5的kagome层中化学掺杂的影响。
• 解决kagome体系中电荷密度波（CDWs）、非传统超导性和向键性之间未解的相互作用。
• 通过控制V与Ti及其他过渡金属的取代，建立调控关联电子态的新平台。
• 绘制CsV3-xTixSb5中连续掺杂系列中交织电子相的演化过程。

提出的方法

• 通过通量生长法合成CsV3-xTixSb5的单晶，并精确控制Ti取代水平（x）。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）探测超导能隙结构和电子能带色散。
• 利用电阻率测量检测面内各向异性和识别向键性和CDW转变。
• 应用输运、磁学和结构表征手段，区分长程与短程CDW序。
• 将Ti掺杂的影响与Cr和Nb取代进行比较，评估d电子数和轨道特性的作用。
• 分析异常霍尔效应（AHE）和赝隙配对密度波（PDW）态在整个掺杂系列中的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ti掺杂在CsV3Sb5的kagome层中如何影响超导能隙对称性和配对机制？
• RQ2 不同超导相的出现与CDW、AHE和向键性序的抑制或持续存在之间存在何种关系？
• RQ3 掺杂水平（x）如何调控系统中长程与短程CDW序之间的转变？
• RQ4 不同掺杂剂（Ti、Cr、Nb）在多大程度上诱导出相似或不同的电子相图变化？
• RQ5 所观察到的双相行为是否可归因于kagome晶格中超导性与竞争序之间的竞争？

主要发现

• Ti原子直接取代kagome层中的V，实现了对CsV3-xTixSb5中电子关联性的系统调控。
• 在低Ti掺杂（x ≈ 0.1–0.3）时，V形超导能隙与弱化的CDW、AHE、向键性及PDW序共存。
• 在高Ti掺杂（x ≈ 0.6–0.8）时，出现U形超导能隙，伴随短程CDW序，而长程CDW、双对称性电阻各向异性、AHE和PDW被抑制。
• 两种不同的超导相具有不同的能隙对称性和不同的电子序，表明该转变由掺杂驱动。
• 使用Cr和Nb进行化学取代诱导了超导和CDW态的不同调制，证实了电子相图对掺杂剂身份的高度敏感性。
• 研究结果建立了一个新的掺杂kagome超导体家族，并提供了一个可调控的平台，用于探测竞争序和非传统配对。