[論文レビュー] Electronic nematicity without charge density waves in titanium-based kagome metal

Hong Li, Siyu Cheng+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、分光的走査トンネル顕微鏡を用いて、kagome金属CsTi3Bi5において、電荷密度波秩序を伴わない電子的ネミティック秩序—回転対称性の自発的破れ—を明らかにした。ネミティック秩序は、平面内および平面外のチタンd軌道に起因する異方的電子相関から生じており、鉄系超伝導体におけるネミティック結合秩序の六重対称性に類似した構造であることが示唆される。

ABSTRACT

Layered crystalline materials that consist of transition metal atoms on a kagome network have emerged as a versatile platform to study unusual electronic phenomena. For example, in the vanadium-based kagome superconductors AV3Sb5 (where A can stand for K, Cs, or Rb) there is a parent charge density wave phase that appears to simultaneously break both the translational and the rotational symmetry of the lattice. Here, we show a contrasting situation where electronic nematic order - the breaking of rotational symmetry without the breaking of translational symmetry - can occur without a corresponding charge density wave. We use spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy to study the kagome metal CsTi3Bi5 that is isostructural to AV3Sb5 but with a titanium atom kagome network. CsTi3Bi5 does not exhibit any detectable charge density wave state, but comparison to density functional theory calculations reveals substantial electronic correlation effects at low energies. Comparing the amplitudes of scattering wave vectors along different directions, we discover an electronic anisotropy that breaks the six-fold symmetry of the lattice, arising from both in-plane and out-of-plane titanium-derived d orbitals. Our work uncovers the role of electronic orbitals in CsTi3Bi5, suggestive of a hexagonal analogue of the nematic bond order in Fe-based superconductors.

研究の動機と目的

• CsTi3Bi5というkagome金属（AV3Sb5と同一構造であるが、Vの代わりにTiを有する）における電子的秩序を調査すること。
• CsTi3Bi5において、電荷密度波（CDW）秩序が電子的ネミティック秩序と共存しているかどうかを特定すること。
• CDW形成なしにネミティック秩序を駆動する電子相関および軌道的寄与の役割を理解すること。
• Ti由来のd軌道を有するkagome格子における六重対称性の破れの起源を解明すること。

提案手法

• 原子スケールでの局所的電子構造および対称性の破れをプローブするため、分光的走査トンネル顕微鏡（SI-STM）を用いた。
• 異なる結晶学的方向に沿った走査トンネル分光および波数振幅を比較し、異方性を検出した。
• 電子バンド構造の分析およびTi 3d軌道の役割を特定するため、密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 実空間および運動量空間における散乱波数を分析し、ネミティック秩序パラメータを定量化した。
• ネミティック秩序（回転対称性の破れ）とCDW秩序（並進対称性の破れ）を区別するため、対称性解析を実施した。
• 観察された電子的異方性と、Tiネットワークにおける平面内および平面外のd軌道の寄与を関連付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷密度波秩序が存在しない状況下でも、CsTi3Bi5に電子的ネミティック秩序が存在するか？
• RQ2 CsTi3Bi5の電子構造における観察された六重対称性の破れの起源は何か？
• RQ3 Ti 3d軌道（平面内および平面外）が、ネミティック秩序の発展にどのように寄与しているか？
• RQ4 電子的相関が、このkagome金属における観察されたネミティック状態をどれほど駆動しているか？
• RQ5 CsTi3Bi5におけるネミティック秩序は、鉄系超伝導体で見られるネミティック結合秩序と類似しているか？

主な発見

• 強い電子相関が存在するにもかかわらず、CsTi3Bi5には検出可能な電荷密度波（CDW）秩序は観察されなかった。
• SI-STM測定により、kagome格子の六重回転対称性を破る明確な電子的異方性が同定された。
• DFT計算により確認されたように、ネミティック秩序は、平面内および平面外のチタン由来d軌道の組み合わせから生じている。
• 異なる結晶学的方向に沿った散乱波数の振幅は、六重対称性の破れを示すパターンを示した。
• 観察されたネミティック性は、格子歪みやCDW形成によって駆動されているのではなく、Ti 3dバンド内の電子相関によって生じている。
• 結果から、鉄系超伝導体におけるネミティック結合秩序に類似した六重対称性のアナログが存在する可能性が示唆されたが、CDWと共存はしていない。