[論文レビュー] Discovery of topological charge order in kagome superconductor KV3Sb5

Yu-Xiao Jiang, Jia‐Xin Yin+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 54被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、高分解能走査トンネル顕微鏡を用いて、カゴメ超伝導体KV3Sb5にトポロジカルな電荷秩序が存在することを発見した。2×2スーパーラティスと、電荷揺らぎにおける強度反転を示すエネルギーギャップに加え、磁場によって切り替え可能なキラル異方性が観測され、これは非代替的超伝導と巨大な異常ホール効果を引き起こす可能性のあるトポロジカル電荷秩序を示唆している。

ABSTRACT

Intertwining exotic quantum order and nontrivial topology is at the frontier of condensed matter physics. A charge density wave (CDW) like order with orbital currents has been proposed as a powerful resource for topological states in the context of the quantum anomalous Hall effect and for the hidden matter in the pseudogap phase of cuprate superconductors. However, the experimental realization of such topological charge order is challenging. Here we use high-resolution scanning tunnelling microscopy (STM) to discover a topological charge order in a kagome superconductor KV3Sb5. Through both lattice-sensitive topography and electronic-sensitive spectroscopic imaging, we observe a 2x2 superlattice, consistent with the star of David deformation in the underlying kagome lattice. Spectroscopically, an energy gap opens at the Fermi level, across which the charge modulation exhibits an intensity reversal, signaling a charge ordering. The strength of charge modulations further displays a clockwise or anticlockwise chiral anisotropy, which we demonstrate can be switched by an applied magnetic field. Our observations and theoretical analysis point to a topological charge order in the frustrated kagome lattice, which not only leads to a giant anomalous Hall effect, but can also be a strong precursor of unconventional superconductivity.

研究の動機と目的

• カゴメ超伝導体（KV3Sb5を含む）に特異な量子秩序が存在するかを調査すること。
• 強いフラストレーションを示すカゴメ格子において、軌道的電流を伴う電荷密度波秩序が実験的に実現可能かどうかを特定すること。
• KV3Sb5におけるトポロジカル秩序、電荷秩序、および非代替的超伝導性の相乗的相互作用を調査すること。
• 高分解能分光的イメージングと磁場チューニングを用いて、トポロジカル電荷秩序の兆候を同定すること。

提案手法

• KV3Sb5の原子スケールの地形および電子的構造を調査するために、高分解能走査トンネル顕微鏡（STM）が用いられた。
• 格子感受性の地形イメージングにより、カゴメ格子におけるスター・オブ・デイヴィッド歪みに一致する2×2スーパーラティスが観測された。
• 電子感受性の分光的イメージングにより、局所的状態密度が測定され、フェルミ準位にエネルギーギャップが開いていることが明らかになった。
• ギャップをはさんで電荷揺らぎの強度が反転する現象を、電荷秩序の特徴として用いた。
• キラル異方性を調べるために磁場を印加し、時計回りまたは反時計回りの揺らぎパターンが切り替えられることを実証した。
• 理論的解析により、フラストレーションを示すカゴメ格子物理学に起因するトポロジカル電荷秩序の同定が裏付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KV3Sb5は、電荷揺らぎにキラル異方性を示すトポロジカル電荷秩序を有しているか？
• RQ2 分光的イメージングにより、エネルギーギャップをはさんで強度が反転する現象を介して電荷秩序の兆候を同定できるか？
• RQ3 印加した磁場は、KV3Sb5の電荷揺らぎのキラル性にどのように影響するか？
• RQ4 このカゴメ超伝導体におけるトポロジカル電荷秩序と巨大な異常ホール効果の関係は何か？
• RQ5 トポロジカル電荷秩序が、非代替的超伝導性の前身として果たす程度はどの程度か？

主な発見

• KV3Sb5のカゴメ格子において、スター・オブ・デイヴィッド歪みに一致する2×2スーパーラティスが観測された。
• フェルミ準位にエネルギーギャップが開き、ギャップをはさんで電荷揺らぎの強度が反転する現象が観測され、電荷秩序の確認が得られた。
• 電荷揺らぎの強度にキラル異方性が認められ、時計回りまたは反時計回りのパターンが磁場によって切り替えられた。
• 非自明なバンドトポロジーとキラル対称性の破れから、観測された電荷秩序はトポロジカル電荷秩序であると特定された。
• トポロジカル電荷秩序は、非代替的超伝導性の前身であると提唱され、巨大な異常ホール効果を誘発するとされた。
• 理論的解析により、電荷秩序がカゴメ格子内の強い電子相関とフラストレーションに起因することが確認された。