[論文レビュー] Charge-order-assisted topological surface states and flat bands in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Yong Hu, Samuel M. L. Teicher+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 39被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、カゴメ格子超伝導体CsV₃Sb₅において、電荷秩序がフェルミ準位以下の位取り表面状態を抑制することを明らかにした。超伝導転移に伴い、これらの表面状態がフェルミ準位近くで活性化される。角度分解光電子分光法により、強い電子相関を示す平坦バンドが検出され、トポロジー、相関、超伝導性の間で極めてまれな協調的相互作用が、マジョラナ零モードの実現に向けたプラットフォームとして成立していることが示された。

ABSTRACT

The diversity of emergent phenomena in quantum materials often arises from the interplay between different physical energy scales or broken symmetries. Cooperative interactions among them are rare; however, when they do occur, they often stabilize fundamentally new ground states or phase behaviors. For instance, a pair density wave can form when the superconducting order parameter borrows spatial periodical variation from charge order; a topological superconductor can arise when topologically nontrivial electronic states proximitize with or participate in the formation of the superconducting condensate. Here, we report spectroscopic evidence for a unique synergy of topology and correlation effects in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ - one where topologically nontrivial surface states are pushed below the Fermi energy (E$_F$) by charge order, making the topological physics active near E$_F$ upon entering the superconducting state. Flat bands are observed, indicating that electron correlation effects are also at play in this system. Our results reveal the peculiar electronic structure of CsV$_3$Sb$_5$, which holds the potential for realizing Majorana zero modes and anomalous superconducting states in kagome lattices. They also establish CsV$_3$Sb$_5$ as a unique platform for exploring the cooperation between the charge order, topology, correlation effects and superconductivity.

研究の動機と目的

• カゴメ超伝導体CsV₃Sb₅における電荷秩序、トポロジー、電子相関の相乗的相互作用を調査すること。
• 電荷秩序がフェルミ準位近くの電子状態および位取り表面状態に与える影響を特定すること。
• 強い電子相関効果の兆候としての平坦バンドの存在を同定すること。
• カゴメ格子におけるマジョラナ零モードおよび異常超伝導状態の実現可能性を検討すること。

提案手法

• CsV₃Sb₅の電子バンド構造をマップするために角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 超伝導転移にわたる分光測定が実施され、表面状態およびバンド分散の変化が特定された。
• 電荷秩序の影響を受ける中で、位取り表面状態のフェルミ準位に対する相対的変化が分析された。
• バンド分散解析を用いて、強い電子相関効果を示す平坦バンドの存在が検出された。
• 理論的解釈により、電荷秩序に起因するバンドシフトがフェルミ準位近くのトポロジカルに非自明な状態の出現に関与していることが示された。
• 常識的状態と超伝導状態の電子構造を比較することで、超伝導状態において位取り的活動が強化されていることが明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅における電荷秩序は、フェルミ準位に対して位取り表面状態の位置と活動性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CsV₃Sb₅の電子構造に強い電子相関効果の証拠は何か？
• RQ3 電荷秩序とトポロジーの相乗的相互作用は、超伝導状態において位取り的活動を強化するか？
• RQ4 系内の平坦バンドは、強い電子相関の存在をどの程度示しているか？
• RQ5 カゴメ格子は、トポロジー、相関、超伝導性の間の協調的相互作用を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• CsV₃Sb₅における電荷秩序は、位取り表面状態をフェルミエネルギー以下にシフトさせ、超伝導状態に移行することでフェルミ準位近くでの活性化が可能になる。
• 分光測定により、強い電子相関効果を示す平坦バンドの存在が確認された。
• 位取り表面状態は、超伝導相においてのみフェルミ準位近くに現れることが観測され、超伝導性と協調的相互作用している可能性が示唆された。
• CsV₃Sb₅の電子構造は、電荷秩序、トポロジー、電子相関の間で特異な協調的相互作用を示している。
• 位取り表面状態と超伝導性の共存により、マジョラナ零モードの実現に向けた有望なプラットフォームを提供している。
• 本研究の結果により、CsV₃Sb₅は、カゴメ格子における複数の競合秩序の相乗的相互作用を研究するモデル系であると特定された。