[論文レビュー] Charge density wave in kagome lattice intermetallic ScV6Sn6

Hasitha W. Suriya Arachchige, William R. Meier+7 more|PubMed|May 9, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、kagome格子金属化合物ScV6Sn6に、92 Kで一次相転移を示す電荷密度波（CDW）の発見を報告する。単結晶X線および中性子回折を用いて、1/3 1/3 1/3の波数ベクトルを持つ明確なCDWモードを同定し、ScおよびSn1原子に最大0.16 Åの垂直方向へのずれを示す。これはAV3Sb5化合物における平面内CDWとは異なり、kagome金属における新しいチューニング経路を示唆する。

ABSTRACT

Materials hosting kagome lattices have drawn interest for the diverse magnetic and electronic states generated by geometric frustration. In the AV_{3}Sb_{5} compounds (A=K, Rb, Cs), stacked vanadium kagome layers give rise to unusual charge density waves (CDW) and superconductivity. Here we report single-crystal growth and characterization of ScV_{6}Sn_{6}, a hexagonal HfFe_{6}Ge_{6}-type compound that shares this structural motif. We identify a first-order phase transition at 92 K. Single crystal x-ray and neutron diffraction reveal a charge density wave modulation of the atomic lattice below this temperature. This is a distinctly different structural mode than that observed in the AV_{3}Sb_{5} compounds, but both modes have been anticipated in kagome metals. The diverse HfFe_{6}Ge_{6} family offers more opportunities to tune ScV_{6}Sn_{6} and explore density wave order in kagome lattice materials.

研究の動機と目的

• 単結晶ScV6Sn6の低温における電子的および構造的性質を調査すること。この化合物はHfFe6Ge6型構造を有するkagome格子金属である。
• AV3Sb5化合物がCDWと超伝導性を示すのと同様に、構造的および電子的類似性を示すScV6Sn6にCDW秩序が出現するかを特定すること。
• CDWの波数ベクトル、原子のずれ、対称性を特徴づけ、AV3Sb5化合物と比較してkagome系におけるCDW不安定性の多様性を理解すること。
• HfFe6Ge6系がAV3Sb5に比べて、kagome金属におけるCDWおよび超伝導状態の起源を解明するためのより高いチューニング可能性を有する可能性を探索すること。

提案手法

• Sc:V:Sn比が1:6:60のSnフラックス法を用いて、ScV6Sn6の単結晶を成長させ、1150 °Cから780 °Cまで1 °C/hの速度でゆっくり冷却した。
• 低温物理的性質測定（抵抗率、磁化率）により、92 Kで一次相転移が観察された。
• 冷却器を用いた粉末X線および中性子回折により、Tc未満での格子定数の決定と構造的モードの検出を実施した。
• 粉末X線および中性子回折データのリエーティルド解析を用いて、CDWの波数ベクトルおよび原子のずれパラメータを決定した。
• 単結晶X線および中性子回折を用いて、結晶構造の確認とCDWモードの精製（原子のずれ振幅を含む）を実施した。
• エネルギー分散型スペクトロスコピー（EDS）を用いて、成長結晶のストイキオメトリを確認した（Sc:V:Sn ≈ 1:6.21:6.22）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ScV6Sn6は電荷密度波（CDW）転移を示すか。その場合、転移温度は何か？
• RQ2 ScV6Sn6におけるCDWモードの波数ベクトルおよび対称性は何か。AV3Sb5化合物におけるCDWと比較するとどうなるか？
• RQ3 CDW状態で最も大きなずれを示す原子はどれか。そのずれは主に平面内か垂直方向か？
• RQ4 AV3Sb5におけるCDWと比較して、ScV6Sn6におけるCDWのメカニズムおよび構造的特徴はどのように異なるか。特に単位格子の倍加および軌道の占有状態に関して。
• RQ5 HfFe6Ge6系は、AV3Sb5に比べて、kagome金属におけるCDWおよび超伝導状態を研究するためのより高いチューニング可能性を有するプラットフォームとみなせるか？

主な発見

• 抵抗率および磁化率の不連続性から、ScV6Sn6では92 Kで一次相転移が観察された。
• 中性子およびX線回折により、波数ベクトルが1/3 1/3 1/3のCDWが同定され、ab面では単位格子面積が3倍に拡大され、c軸方向には3単位格子ごとに周期的繰り返しを示した。
• CDW状態で最大の原子ずれを示したのはScおよびSn1原子で、c軸方向に最大0.16 Åの振幅を示した。一方、V原子のずれは0.004–0.006 Åにとどまった。
• ScV6Sn6におけるCDWは、AV3Sb5化合物とは本質的に異なる。AV3Sb5では1/2 1/2 1/2または1/2 1/2 1/4の波数ベクトルを示し、V原子の平面内ずれが0.009–0.085 Åであった。
• Vのdバンド占有状態およびkagome格子構造が類似しているにもかかわらず、ScV6Sn6のCDWは異なる構造モードを伴うため、駆動メカニズムや対称性の破れが異なる可能性を示唆する。
• HfFe6Ge6系は、AV3Sb5に比べて化学的および構造的チューニング性に優れており、固溶体化やドーピングを用いた今後のkagome金属におけるCDW秩序の探索に有効である。