[論文レビュー] Distinct band reconstructions in kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Yang Luo, Shuting Peng+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 49被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、kagome超伝導体CsV₃Sb₅に二つの異なるバンド再構築が存在することを明らかにした。一つは、面外方向の周期的変調を示す三次元電荷秩序に起因するものであり、もう一つは表面に起因する軌道選択的バンドシフトに起因するものである。これらの発見は、三次元電荷秩序の直接的証明を提供し、表面工学が特異な量子状態を制御する手段として有効である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The new two-dimensional (2D) kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ has attracted much recent attention due to the coexistence of superconductivity, charge order, topology and kagome physics. A key issue in this field is to unveil the unique reconstructed electronic structure, which successfully accommodates different orders and interactions to form a fertile ground for emergent phenomena. Here, we report angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) evidence for two distinct band reconstructions in CsV$_3$Sb$_5$. The first one is characterized by the appearance of new electron energy band at low temperature. The new band is theoretically reproduced when the three dimensionality of the charge order is considered for a band-folding along the out-of-plane direction. The second reconstruction is identified as a surface induced orbital-selective shift of the electron energy band. Our results provide the first evidence for the three dimensionality of the charge order in single-particle spectral function, highlighting the importance of long-range out-of-plane electronic correlations in this layered kagome superconductor. They also point to the feasibility of orbital-selective control of the band structure via surface modification, which would open a new avenue for manipulating exotic phenomena in this system, including superconductivity.

研究の動機と目的

• kagome超伝導体CsV₃Sb₅に共存する超伝導性、電荷秩序、トポロジーを特徴とする電子バンド再構築の性質を解明すること。
• 観測されたバンド再構築が、バルク電荷秩序に起因するのか、表面効果に起因するのかを特定すること。
• 電子的相関が面外方向に及ぼす影響が、電子構造に与える役割を調査すること。
• 表面改質による軌道選択的バンド工学の可能性を検討すること。

提案手法

• 異なる温度および表面状態でのCsV₃Sb₅の電子バンド構造をプローブするために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 実験的ARPESデータは、面外方向へのバンド折りたたみを伴う三次元電荷秩序を組み込んだ理論的計算と比較された。
• 異なる表面終末や処理状態からのスペクトルを比較することで、軌道選択的バンドシフトが同定された。
• 理論的モデリングを用いて、特に低温で出現する新しい電子バンドの再現が行われ、観測されたバンド再構築を再現した。
• 三次元電荷秩序の存在下でのスペクトル関数の分析を通じて、長距離的な面外方向相関の役割が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温においてCsV₃Sb₅に新しい電子バンドが出現するのはどのような原因によるのか？
• RQ2 観測されたバンド再構築は、三次元電荷秩序に起因するのか、表面効果に起因するのか？
• RQ3 表面改質によって軌道選択的バンドシフトを誘発できるか？
• RQ4 面外方向の電子的相関は、このkagome超伝導体の電子構造にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 低温で新しい電子エネルギー準位が出現し、これは理論モデルに面外方向のバンド折りたたみを伴う三次元電荷秩序を組み込むことで再現された。
• ARPESによる単粒子スペクトル関数において、三次元電荷秩序の性質が直接的に裏付けられた。
• 第二のバンド再構築は、表面に起因する軌道選択的バンド構造のシフトとして同定された。
• 結果から、再構築された電子状態を安定化させるために、長距離的な面外方向電子的相関が重要であることが示された。
• 表面工学は、この系における軌道選択的バンド構造制御の実現可能な道筋を示している。