서울대학교 응용물리연구소

연구활동

[서예환, 김광탁, 김석호 학생/ 김기훈 교수] Cs(V1-xTix)3Sb5 초전도체에서 네마틱 양자 임계점 발견 (Nature Communications 논문 게재)

2023-07-10l 조회수 1560

네마틱 상전이란 전자의 상호 작용에 의해 결정의 높은 회전 대칭성이 붕괴되는 상전이 (가령 C6 에서 C2 대칭성으로 의 전이)를 의미하며, 이는 철계 초전도체를 포함한 여러 물질의 초전도 상태를 이해하는 데에 있어 중요한 정렬 현상 중 하나이다. 2019년도에 처음 발견된 카고메 초전도체 CsV3Sb5는 네마틱 상전이를 비롯한 다양한 상전이를 보유하고 있어 최근 물리학계에서 큰 관심을 받고 있는 물질 중 하나이다. 이 물질은 약 98K의 온도에서 전하밀도파 상전이, 그리고 약 35K의 온도에서 네마틱 상전이를 거친 후 초전도 전이온도 Tc = 3.2K 아래에서 초전도 상을 형성한다. 그러나 이러한 다양한 상전이가 있음에도 불구하고, CsV3Sb5의 여러 상들과 초전도 상 사이의 관계는 아직 명확히 밝혀진 바가 없다.
최근 우리 학부 김기훈 교수 연구팀은 고품질의 Cs(V1-xTix)3Sb5 (x = 0.00-0.06) 단결정을 합성하고 다양한 온도 범위에서 네마틱 감수율을 측정하여 네마틱 상과 초전도 상 간의 상관관계를 조사하였다. 네마틱 감수율에 대해 Curie-Weiss fitting을 진행한 결과, Curie-Weiss 온도 θnem x에 따라 θnem = ~30 K (x = 0일 때)에서 점점 감소하며, x = ~ 0.009에서 θnem의 부호가 음수로 변화함을 관측하였다. 또한 네마틱 요동을 의미하는 Curie 상수가 이 근방에서 최대가 되는 것을 통해, Cs(V1-xTix)3Sb5 x = ~0.009 지점에서 네마틱 양자 임계점 (Nematic quantum critical point, NQCP)이 존재함을 세계 최초로 발견하였다. 더 나아가, 네마틱 양자 요동이 최대화되는 x = 0.0075-0.01 범위에서 Tc가 향상되는 초전도 돔이 형성됨을 확인하여 Tc와 네마틱 양자 요동 사이의 상관관계를 확인하였다. 이 연구 결과는 Cs(V1-xTix)3Sb5의 네마틱 양자 요동이 초전도 특성 향상에 중요한 역할을 한다는 것을 직접적으로 시사하며, 이 물질을 비롯한 여러 카고메 물질의 초전도 상을 이해하는 데 있어 새로운 시각을 가져다 줄 것으로 기대된다.

저자: Yeahan Sur (서울대), Kwang-Tak Kim (서울대), Sukho Kim (서울대), Kee Hoon Kim* (서울대)

Abstract: CsV3Sb5 exhibits superconductivity at Tc=3.2 K after undergoing intriguing two high-temperature transitions: charge density wave order at ~98 K and electronic nematic order at Tnem~35 K. Here, we investigate nematic susceptibility in single crystals of Cs(V1-xTix)3Sb5 (x=0.00-0.06) where double-dome-shaped superconducting phase diagram is realized. The nematic susceptibility typically exhibits the CurieWeiss behavior above Tnem, which is monotonically decreased with x. Moreover, the CurieWeiss temperature is systematically suppressed from ~30 K for x=0 to ~4 K for x=0.0075, resulting in a sign change at x=~0.009. Furthermore, the Curie constant reaches a maximum at x=0.01, suggesting drastically enhanced nematic susceptibility near a putative nematic quantum critical point (NQCP) at x=~0.009. Strikingly, Tc is enhanced up to ~4.1 K with full Meissner shielding realized at x=~0.0075-0.01, forming the first superconducting dome near the NQCP. Our findings directly point to a vital role of nematic fluctuations in enhancing the superconducting properties of Cs(V1-xTix)3Sb5.

Nat. Commun. 14, 3899 (2023)
doi: 10.1038/s41467-023-39495-1