[論文レビュー] Coexistence of Tri-Hexagonal and Star-of-David Pattern in the Charge Density Wave of the Kagome Superconductor AV$_3$Sb$_5$

Yong Hu, Xianxin Wu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）および密度汎関数理論（DFT）を用いて、AV₃Sb₅カゴーメ超伝導体において三六角形および六芒星型の電荷密度波（CDW）歪みが共存することを明らかにした。これらのパターンの交互な積層が、三次元的な 2×2×2 または 2×2×4 のCDW秩序を生じさせ、長年のCDWの構造的性質に関する曖昧さを解消し、この材料群の特異な電子的性質を理解する基盤を提供する。

ABSTRACT

The recently discovered layered kagome metals AV$_3$Sb$_5$(A=K, Rb, Cs) have attracted much attention because of their unique combination of superconductivity, charge density wave (CDW) order, and nontrivial band topology. The CDW order with an in-plane 2x2 reconstruction is found to exhibit exotic properties, such as time-reversal symmetry breaking and rotational symmetry breaking. However, the nature of the CDW, including its dimensionality, structural pattern, and effect on electronic structure, remains elusive despite intense research efforts. Here, using angle-resolved photoemission spectroscopy, we unveil for the first time characteristic double-band splittings and band reconstructions, as well as the band gap resulting from band folding, in the CDW phase. Supported by density functional theory calculations, we unambiguously show that the CDW in AV$_3$Sb$_5$ originates from the intrinsic coexistence of Star-of-David and Tri-Hexagonal distortions. The alternating stacking of these two distortions naturally leads to three-dimensional 2x2x2 or 2x2x4 CDW order. Our results provide crucial insights into the nature and distortion pattern of the CDW order, thereby laying down the basis for a substantiated understanding of the exotic properties in the family of AV$_3$Sb$_5$ kagome metals.

研究の動機と目的

• AV₃Sb₅カゴーメ超伝導体における電荷密度波（CDW）秩序の構造的パターンと次元性に関する長年の曓昧さを解消すること。
• 観察された面内2×2のCDW再構成が、単一の歪みモチーフによるものか、複数の構造的モチーフの共存によるものかを特定すること。
• CDWが電子バンド構造に与える影響、特にバンド折りたたみとギャップ形成を通じての影響を明確にすること。
• 三次元的な積層を含めた、内在的な格子歪みとその起源を統一的に理解すること。
• AV₃Sb₅における時間反転対称性の破れや回転対称性の破れといった特異な現象を説明する基盤を提供すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、AV₃Sb₅のCDW相におけるバンド分裂、再構成およびギャップを直接観測した。
• 格子歪みとその電子的効果をモデル化するために、密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 理論的モデリングでは、三六角形および六芒星型歪みパターンのエネルギー的安定性と電子的応答を比較した。
• 両方の歪みパターンの共存をシミュレーションし、それらの積層とそれに伴う三次元CDWスーパーラティス構造を評価した。
• 観測されたARPESの特徴と下位のCDW周期性を結びつけるために、バンド折りたたみ効果を分析した。
• 2×2×2および2×2×4のCDWスーパーラティスが、二つの歪みタイプの交互な積層によって生じる可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AV₃Sb₅における面内2×2のCDW秩序の背後にある真の構造的パターンは何か？
• RQ2 観察されたCDWは、単一の歪みパターンで説明可能か、それとも複数のパターンの共存が必要か？
• RQ3 三六角形および六芒星型歪みがどのようにして観察された三次元CDWスーパーラティスを生じさせるか？
• RQ4 バンド折りたたみは、実験的に観測された二重バンド分裂とギャップを生成する役割を果たすか？
• RQ5 これらの歪みの積層が、2×2×2または2×2×4の周期性を示す三次元CDW秩序をどのように生じさせるか？

主な発見

• ARPESおよびDFTによる確認により、AV₃Sb₅におけるCDWは、三六角形および六芒星型格子歪みの内在的共存に起因することが判明した。
• ARPES測定により、2×2×2または2×2×4のCDWスーパーラティスに一致する特徴的な二重バンド分裂およびバンド再構成が観測された。
• バンド折りたたみに起因するバンドギャップが観測され、電子構造とCDW周期性が直接関連づけられた。
• 三六角形および六芒星型歪みの交互な積層が、三次元CDW秩序の自然な生成を説明する。
• 本研究の結果により、CDWの起源に関する長年の曚昧さが解消され、その特異な対称性破れ状態を統一的に説明する根拠が得られた。
• これらの発見は、AV₃Sb₅カゴーメ金属における時間反転対称性および回転対称性の破れを理解する基盤を確立した。