[論文レビュー] Emergence of a new band and the Lifshitz transition in kagome metal ScV$_6$Sn$_6$ with charge density wave

Seoung‐Hun Kang, Haoxiang Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 20

ひとこと要約

この論文は ARPES, STM, および DFT を用いて ScV6Sn6 を研究し、温度依存の新しい表面バンドと CDW 形成に関連する Lifshitz 遷移を報告するが、フェルミ面ギャップは見られない。

ABSTRACT

Topological kagome systems have been a topic of great interest in condensed matter physics due totheir unique electronic properties. The vanadium-based kagome materials are particularly intrigu-ing since they exhibit exotic phenomena such as charge density wave (CDW) and unconventionalsuperconductivity. The origin of these electronic instabilities is not fully understood, and the re-cent discovery of a charge density wave in ScV6Sn6provides a new avenue for investigation. In thiswork, we investigate the electronic structure of the novel kagome metal ScV6Sn6using angle resolvedphotoemission spectroscopy (ARPES), scanning tunneling microscopy (STM), and first-principlesdensity functional theory calculations. Our analysis reveals for the first time the temperature-dependent band changes of ScV6Sn6and identifies a new band that exhibits a strong signatureof a structure with CDW below the critical temperature. Further analysis revealed that this newband is due to the surface kagome layer of the CDW structure. In addition, a Lifshitz transition isidentified in the ARPES spectra that is related to the saddle point moving across the Fermi levelat the critical temperature for the CDW formation. This result shows the CDW behavior may alsobe related to nesting of the saddle point, similar to related materials. However, no energy gap is observed at the Fermi level and thus the CDW is not a typical Fermi surface nesting scenario. These results provide new insights into the underlying physics of the CDW in the kagome materials and could have implications for the development of materials with new functionality.

研究の動機と目的

• ScV6Sn6 の電子構造を CDW 遷移を通して調査する。
• CDW がバンド構造、フェルミ面、および可能なネスティングのシナリオにどのように影響するかを特定する。
• CDW 状態に現れる新しいバンドの起源を特定する。
• CDW の特徴がフェルミ面をギャップさせるか、表面状態から生じるかを評価する。

提案手法

• Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) を用いてバンド構造とフェルミ面をマッピングする。
• Scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/S) を用いて局所状態密度と表面終端効果を探る。
• First-principles density functional theory (DFT) calculations with spin-orbit coupling を用いて体と表面の電子構造をモデル化する。
• 高対称方向に沿った ARPES との比較のためのバンド構造の unfolding。
• V d 軌道、特に dz^2 特性に焦点を当てた軌道分解解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ScV6Sn6 は ARPES および STM で検出可能な CDW 誘発の電子構造の改変を示すか。
• RQ2 ScV6Sn6 における CDW 形成に関連した Lifshitz 遷移はあるか。
• RQ3 CDW 状態に現れる観測された新しいバンドの起源は何か — 体か表面状態か？
• RQ4 ScV6Sn6 の CDW はフェルミレベルでギャップを開くのか、Peierls 風のネスティング像を示すのか？
• RQ5 CDW 状態における観測される電子構造に対する表面終端はどのように影響するか？

主な発見

• CDW 遷移を横断する温度依存のバンドシフトが M 点付近で観測され、サドル点がフェルミエネルギーを超えると Lifshitz 遷移が起きることを示唆している。
• CDW 状態でフェルミエネルギー近傍に追加のバンドが現れ、表面の kagome 層に起因し、dz^2 キャラクターは表面 V 原子由来である。
• CDW 状態でフェルミエネルギーにエネルギーギャップは検出されず、CDW は従来のフェルミ面ネスティング不安定性ではないことを示唆する。
• DFT と ARPES は、K におけるディラク点や M におけるサドル点など、体の kagome 特徴を示し、表面終端が観測されるバンドに影響を与える。
• 新たに観測された表面バンドは CDW 誘導の表面再構成と一致し、STM/LDOS 測定によって裏付けられる。
• Lifshitz 遷移は、温度が T_c 以下に低下すると van Hove サドル点が E_F を上回ることに結びついており、先行研究で報告された抵抗の変化と関連している。