[論文レビュー] Fermi surface mapping and the nature of charge density wave order in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Brenden R. Ortiz, Samuel M. L. Teicher+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 32被引用数 89

ひとこと要約

この研究は量子振動、DFT、回折を用いて CsV3Sb5 のフェルミ面の CDW による再構成を示し、バナジウム優位のディラック様ポケットと 2×2×4 CDW を SoD/TrH 変形とともに同定する。

ABSTRACT

The recently discovered family of AV$_3$Sb$_5$ (A: K, Rb Cs) kagome metals possess a unique combination of nontrivial band topology, superconducting ground states, and signatures of electron correlations manifest via competing charge density wave order. Little is understood regarding the nature of the charge density wave (CDW) instability inherent to these compounds and the potential correlation with the accompanying onset of a large anomalous Hall response. To understand the impact of the CDW order on the electronic structure in these systems, we present quantum oscillation measurements on single crystals of CsV$_3$Sb$_5$. Our data provides direct evidence that the CDW invokes a substantial reconstruction of the Fermi surface pockets associated with the vanadium orbitals and the kagome lattice framework. In conjunction with density functional theory modeling, we are able to identify split oscillation frequencies originating from reconstructed pockets built from vanadium orbitals and Dirac-like bands. Complementary diffraction measurements are further able to demonstrate that the CDW instability has a correlated phasing between neighboring V$_3$Sb$_5$ planes. These results provide critical insights into the underlying CDW instability in AV$_3$Sb$_5$ kagome metals and support minimal models of CDW order arising from within the vanadium-based kagome lattice.

研究の動機と目的

• CsV3Sb5 の電荷密度波秩序の影響を電電子構造に対して調べる。
• CDW の次元特性と三次元的位相を決定する。
• カゴメ格子 V 原子層で CDW 形成を駆動する原子軌道と格子歪みを特定する。

提案手法

• CsV3Sb5 単結晶に対して Shubnikov–de Haas 量子振動測定を行い、複数のフェルミ面ポケットを解像する。
• PBE-D3, スピン軌道結合, Wannier90 を用いて歪んだ構造と SoD および TrH モチーフの展開フェルミ面を計算する。
• 超格子バンド構造を展開して実験振動数と比較し、Lifshitz-Kosevich 分析によって回転質量を抽出する。
• synchrotron X 線回折を用いて 3D 超格子ピークをマッピングし、P-3 の CDW 構造を refine して c 軸の位相を明らかにする。
• 二次高調波発生を用いて CDW 移行を越えた反転対称性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDW 秩序は CsV3Sb5 のフェルミ面、特にバナジウム由来のディラック様バンドにどのような影響を与えるのか？
• RQ2 CsV3Sb5 の CDW の三次元的特性と積層順序はどうなっているのか？
• RQ3 CDW 状態で実現する格子歪み（SoD 対 TrH）は何で、電子構造にどのように影響するのか？
• RQ4 最小限の kagome ベースの tight-binding 描写で実験的に観測された CDW による再構成を捉えられるのか？

主な発見

• CDW はフェルミ面を再構成し、特に M 点付近のバナジウム由来のディラック様バンドに影響を及ぼす。
• 低周波の量子振動は再構成されたバナジウム軌道に起因し、非常に小さな回転質量を示し、ディラック様ポケットと一致する。
• DFT と展開を組み合わせると SoD と TrH の歪みが CDW を安定化し、V–V ボンド長の差を伴う 2×2×4 のスーパー構造を生成する。
• フェルミ面の再構成は一部の高周波ポケットを保つ一方で、歪みに応じて（SoD 対 TrH）他をギャップさせる。
• X線回折は 3D の CDW 位相を (0.5,0.5,0.25) 波ベクトルで示し; SHG は CDW 発現下で反転対称性が保たれることを示す。