[論文レビュー] Geometry of the charge density wave in kagom${é}$ metal AV$_{3}$Sb$_{5}$

H. Miao, H. X. Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、kagomé金属AV₃Sb₅における電荷密度波（CDW）が、kagomé面上でD₆h対称性を保ちつつ六重回転対称性（C₆）を破る層間位相シフトに起因する逆星型ダビデ（ISD）格子歪みとして同定された。XRDおよびSTSデータを用いて、CDWはフォノンの軟化を伴わず弱い一次相転移を引き起こすことが示され、音響的異常の不在が説明され、強い共鳴効果が確認された。

ABSTRACT

Kagom${é}$ lattice is a fertile platform for topological and intertwined electronic excitations. Recently, experimental evidence of an unconventional charge density wave (CDW) is observed in a Z2 kagom${é}$ metal AV$_{3}$Sb$_{5}$ (A= K, Cs, Rb). This observation triggers wide interests on the interplay between frustrated crystal structure and Fermi surface instabilities. Here we analyze the lattice effect and its impact on CDW in AV$_{3}$Sb$_{5}$. Based on published experimental data, we show that the CDW induced structural distortions is consistent with the theoretically predicted inverse star-of-David pattern, which preserves the $D_{6h}$ symmetry in the kagom${é}$ plane but breaks the sixfold rotational symmetry of the crystal due to the phase shift between kagom${é}$ layers. The coupling between the lattice and electronic degrees of freedom yields a weak first order structural transition without continuous change of lattice dynamics. Our result emphasizes the fundamental role of lattice geometry in proper understanding of unconventional electronic orders in AV$_{3}$Sb$_{5}$.

研究の動機と目的

• 実験的回折および分光法データを用いて、AV₃Sb₅における電荷密度波（CDW）の幾何的性質を特定すること。
• 観測されたCDW対称性の破れ（C₆）とkagomé面上で保持されるD₆h対称性の間の矛盾を解明すること。
• 強い電子-フォノン結合があるにもかかわらず、AV₃Sb₅で音響フォノン異常が観測されない理由を説明すること。
• 格子歪みが連続的な格子軟化を伴わず弱い一次相転移を駆動するメカニズムを明確にすること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）と実験的XRD/STSデータを用いて、T_CDW未満での格子歪みの数値的および解析的分析を実施。
• CDW誘発格子歪みを逆星型ダビデ（ISD）パターンとしてモデル化し、星型ダビデ（SD）およびVストレッチ歪みと比較。
• 原子形因子とデバイ・ウォーラー因子を用いて回折パターンを計算し、kagomé層間の位相シフトを組み込み。
• 2×2×2超構造モデルに層間でπ位相シフトを導入し、マルチドメインX線散乱とシングルドメインSTS応答をシミュレート。
• 電子-フォノン結合から生じる立方項を含む自由エネルギーモデルを用いて弱い一次相転移を記述。
• 特に動径空間におけるピーク強度と選択則を考慮して、実験的XRDおよびSTSデータと照合して妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AV₃Sb₅におけるCDWの幾何的構造は何か？ また、観測されたD₆h対称性と破れたC₆対称性とどのように整合するか？
• RQ2 強い電子-フォノン結合があるにもかかわらず、Q_CDW近傍で音響フォノン異常が観測されないのはなぜか？
• RQ3 kagomé層間の層間位相シフトがCDWスーパーラティスピーク強度と選択則にどのように影響するか？
• RQ4 CDW相転移の性質は連続的か一次的か？ そして、格子-CDW結合はその性質にどのように寄与するか？
• RQ5 ISD歪みパターンは、実験的に観測された2×2×2超構造および回折強度を説明できるか？

主な発見

• AV₃Sb₅におけるCDWは、kagomé面上でD₆h対称性を保つ逆星型ダビデ（ISD）格子歪みとして最も適切に記述できる。
• 六重回転対称性（C₆）の破れは、kagomé層間のπ位相シフトに起因し、観測されたキラルCDWまたは電子ネミック状態を説明する。
• CDW誘発格子転移は、電子-フォノン結合に起因する自由エネルギーの立方項によって駆動される弱い一次転移である。
• Q_CDW近傍での音響フォノン異常の不在は、弱い電子-フォノン結合によるのではなく、強い共鳴効果によるものである。
• ISD歪みのシミュレートされた回折パターンは、実験的XRDおよびSTSデータと一致し、相対的ピーク強度と選択則を再現する。
• マルチドメインX線測定では2×2 CDWパターンが再現され、シングルドメインSTSでは位相コherーのため、禁止ピーク（例：(0.5, 0, 0)）が観測される。