[論文レビュー] Emergence of new van Hove singularities in the charge density wave state of a topological kagome metal RbV3Sb5

Soohyun Cho, Haiyang Ma+12 more|PubMed|May 11, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、高分解能の角度分解光電子分光法および第一原理計算を用いて、トポロジカルkagome金属RbV3Sb5における電荷密度波（CDW）転移が、フェルミ準位近くに新たなヴァン・ホーブ特異点を誘発することを実証した。これらの特異点は、通常状態には存在せず、状態密度の顕著な増大と関連している。新たに形成されたこれらの特異点は、低温での超伝導の発現と関連しており、kagome系におけるCDWおよび超伝導秩序の重要な微視的メカニズムを明らかにしている。

ABSTRACT

Quantum materials with layered kagome structures have drawn considerable attention due to their unique lattice geometry, which gives rise to flat bands together with Dirac-like dispersions. Recently, vanadium-based materials with layered kagome structures were discovered to be topological metals, which exhibit charge density wave (CDW) properties, significant anomalous Hall effect, and unusual superconductivity at low temperatures. Here, we employ angle-resolved photoemission spectroscopy to investigate the electronic structure evolution upon the CDW transition in a vanadium-based kagome material RbV_{3}Sb_{5}. The CDW phase transition gives rise to a partial energy gap opening at the boundary of the Brillouin zone and, most importantly, the emergence of new van Hove singularities associated with large density of states, which are absent in the normal phase and might be related to the superconductivity observed at lower temperatures. Our work sheds light on the microscopic mechanisms for the formation of the CDW and superconducting states in these topological kagome metals.

研究の動機と目的

• トポロジカルkagome金属RbV3Sb5における電荷密度波（CDW）転移が引き起こす電子状態の進化を調査すること。
• CDW相におけるバンド再スケーリングおよび新たな電子的特徴の起源を特定すること。
• CDW状態において新たなヴァン・ホーブ特異点が出現するかどうかを特定し、それが超伝導に果たす可能性のある役割を評価すること。
• フェルミ面における電荷フラクチュエーションとソフトモードを介したCDW形成の微視的メカニズムを解明すること。

提案手法

• 高分解能の角度分解光電子分光法（ARPES）を、SSRFおよびNSRLの03Uおよび13Uビームラインで実施し、剥離したRbV3Sb5単結晶の電子構造をプローブした。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算をVASPを用いて実施し、PBE汎関数およびプロジェクター付加重波関数を用い、スピン軌道相互作用を含めた。
• DFT計算において、CDW状態をモデル化し、観測されたバンド再スケーリングを再現するために、2×2逆星型ダビッド（ISD）超格子を用いた。
• 密度汎関数摂動論（DFPT）を用い、PHONOPYを用いてフォノンスペクトルを計算し、CDW形成に関連するソフトモードを同定した。
• Wannier補間されたバンドから得たジョイント状態密度（DOS）を計算し、フェルミ準位近くにおける軌道およびバンド寄与の役割を分析した。
• 隣接する鞍点を結ぶ波数ベクトルにおけるフェルミ面電荷フラクチュエーションを分析し、CDW転移を駆動する不安定性を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RbV3Sb5のCDW状態において、通常状態に存在しない新たなヴァン・ホーブ特異点が出現するか？
• RQ2 CDW転移は、RbV3Sb5におけるバンド分散およびフェルミ面トポロジーをどのように変化させるか？
• RQ3 このkagome金属系におけるCDW不安定性の微視的起源は何か？
• RQ4 新たに形成されたヴァン・ホーブ特異点は、低温での超伝導の出現とどのように相関しているか？
• RQ5 ISD超構造に基づく第一原理計算は、CDW相における観測されたARPES特徴を正確に再現できるか？

主な発見

• CDW状態ではフェルミ準位に部分的なエネルギーギャップが開き、電荷秩序状態の形成と整合的である。
• CDW相において、KおよびM点付近で顕著なバンド再スケーリングが観測され、強い電子相関を示している。
• CDW状態では、通常状態に存在しないフェルミ準位近くに新たなヴァン・ホーブ特異点が出現し、状態密度の大幅な増大と関連している。
• これらの特異点の出現は、2×2逆星型ダビッド超格子を用いた第一原理計算によって完全に捉えられている。
• 隣接する鞍点を結ぶ波数ベクトルにおけるフェルミ面電荷フラクチュエーションと、ソフトフォノンモードが協同してCDW転移を駆動している。
• 新たなヴァン・ホーブ特異点に起因するフェルミ準位近くの状態密度の増大は、低温での観測された超伝導の微視的起源を提供する可能性がある。