[论文解读] Uniaxial Strain Tuning of Superconductivity in 2$H$-NbSe$_{2}$

Andrew Wieteska, Ben Foutty+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Organic and Molecular Conductors Research被引用 4

一句话总结

本研究证明，在2H-NbSe₂中，当拉伸应变超过0.2%或压缩应变超过0.1%时，单轴应变会强烈抑制超导转变温度（T_sc），其抑制速率分别为1.3 K/%和2.5 K/%。这种抑制归因于应变驱动的从三波矢（3Q）电荷密度波（CDW）相向单波矢（1Q）CDW相的转变，该转变增强了在承载超导序参数的费米面口袋上的CDW能隙形成，从而与超导性竞争并降低T_sc。

ABSTRACT

We explore the effect of lattice anisotropy on the charge-ordered superconductor 2H-NbSe$_{2}$. Using a novel strain apparatus, we measure the superconducting transition temperature $T_{sc}$ as a function of uniaxial strain. It is found that $T_{sc}$ is independent of tensile(compressive) strain below a threshold of 0.2\% (0.1\%), but decreases strongly with larger strains with an average rate of $1.3\,$K/\% ($2.5\,$K/\%). Transport signatures of charge order are largely unaffected as a function of strain. Theoretical considerations show that the change in the behavior of $T_{sc}$ with strain coincides with a phase transition from 3Q to 1Q charge order in the material. The spectral weight on one of the Fermi surface bands is found to change strongly as a consequence of this phase transition, providing a pathway to tune superconducting order.

研究动机与目标

• 研究大范围、可连续调节的单轴应变对2H-NbSe₂中超导转变温度（T_sc）的影响。
• 确定晶格各向异性和应变引起的结构变化如何影响超导性与电荷序之间的相互作用。
• 探究在应变作用下从3Q到1Q电荷密度波（CDW）序的相变是否导致观测到的T_sc抑制。
• 通过理论建模将费米面谱权重变化与CDW能隙形成关联到测得的T_sc抑制。
• 建立一个可应变调控的平台，用于探测关联材料中对称性破缺相及其与超导性的竞争。

提出的方法

• 采用定制的压电单轴应变装置，通过剪切促动器对高质量2H-NbSe₂单晶施加连续且可逆的应变。
• 采用四探针配置测量纵向电阻率，以提取T_sc随应变和温度的变化关系，并利用霍尔电阻率确认载流子类型和迁移率。
• 使用电容式传感器校准压电堆的温度依赖性位移，以修正热收缩效应。
• 应用密度泛函理论（DFT）计算，模拟在不同单轴应变下电子能带结构和声子谱。
• 计算在0.6%拉伸和压缩应变下未应变、3Q畸变和1Q畸变相的费米能级处的角分辨光电子能谱（ARPES）谱密度（A(E_F, k)），以评估费米面能隙化。
• 采用包含动量依赖电子-声子耦合的随机相位近似（RPA）模型，模拟CDW形成及其应变依赖性，与先前的STM和ARPES数据一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 单轴应变如何影响2H-NbSe₂中的超导转变温度T_sc？
• RQ2 应变是否诱导从3Q到1Q电荷密度波（CDW）相的转变？如果是，该转变如何影响超导性？
• RQ3 由于CDW能隙导致的费米面谱权重重分布在多大程度上与T_sc抑制相关？
• RQ4 为何T_sc的应变依赖性在拉伸与压缩应变之间表现出不对称性？
• RQ5 观测到的T_sc抑制是否可由超导性与CDW序在特定费米面口袋上的竞争来解释？

主要发现

• 在拉伸应变低于0.2%和压缩应变低于0.1%时，T_sc几乎保持不变，表明存在应变不敏感区域。
• 超过这些阈值后，T_sc随应变线性下降，拉伸应变下速率为1.3 K/%，压缩应变下速率为2.5 K/%。
• T_sc的抑制与应变诱导的从3Q到1Q电荷密度波（CDW）相的转变强烈相关，该结论经理论建模证实。
• 在1Q CDW相中，CDW能隙在费米面口袋上打开的范围显著扩大，特别是内层K口袋，该口袋在未应变状态下是超导能隙的主要承载区域。
• T_sc应变依赖性的两倍不对称性可通过假设应变下单位晶胞面积近似恒定的模型自然解释。
• 理论计算表明，在1Q相中，内层K口袋的谱权重被强烈抑制，直接将费米面能隙化与T_sc抑制联系起来。