[論文レビュー] Multiple Energy Scales and Anisotropic Energy Gap in the Charge-Density-Wave Phase of Kagome Superconductor CsV3Sb5

K. Nakayama, Yongkai Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 29

ひとこと要約

この研究は高解像度ARPESを用いSOC誘発のDiracギャップと、CsV3Sb5における強く各方向へ異方性を持つ多スケールCDWギャップを明らかにし、鞍点、Dirac、Γ/AP電子ポケットバンドで異なるギャップを示す。

ABSTRACT

Kagome metals AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs) exhibit superconductivity at 0.9-2.5 K and charge-density wave (CDW) at 78-103 K. Key electronic states associated with the CDW and superconductivity remain elusive. Here, we investigate low-energy excitations of CsV3Sb5 by angle-resolved photoemission spectroscopy. We found an energy gap of 70-100 meV at the Dirac-crossing points of linearly dispersive bands, pointing to an importance of spin-orbit coupling. We also found a signature of strongly Fermi-surface and momentum-dependent CDW gap characterized by the larger energy gap of maximally 70 meV for a band forming a saddle point around the M point, the smaller (0-18 meV) gap for a band forming massive Dirac cones, and a zero gap at the Gamma-centered electron pocket. The observed highly anisotropic CDW gap which is enhanced around the M point signifies an importance of scattering channel connecting the saddle points, laying foundation for understanding the nature of CDW and superconductivity in AV3Sb5.

研究の動機と目的

• CsV3Sb5におけるCDWと超伝導に関連する低エネルギー電子状態を同定する。
• バンド構造中のDirac点でのSOC誘起ギャップを特徴づける。
• 2DBrillouin zone全体でCDWギャップの運動量依存性とバンド依存性をマッピングする。
• 観測されたCDWギャップをフェルミ面の特徴と潜在的散乱経路に関連づける。

提案手法

• TCDWを跨ぐ CsV3Sb5単結晶に対して高解像度ARPESを実施する。
• 光子エネルギーを変化させて異なる kzスライスを調べ、体緖と表面の特徴を区別する。
• SOCを含む第一原理計算と実験的バンド分散を比較する。
• EDCsと対称化EDCsを抽出して重要な kF点でのエネルギーギャップを同定する。
• CDWギャップを運動量角度θの関数として解析し、鞍点、Dirac、Γ/APポケットにギャップを割り当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5におけるSOCに起因するDirac点でのエネルギーギャップはいくらか？
• RQ2 CsV3Sb5のフェルミ面全体および運動量（k）によるCDWギャップの変化はどうなるか？
• RQ3 CDWに関与するバンドは鞍点、Dirac、Γ/AP電子ポケットのどれで、どの大きさか？
• RQ4 3D成分のCDWが存在するか、 kz依存性とどう関連するか？

主な発見

• Dirac-crossing points exhibit an energy gap of 50–70 meV attributed to SOC.
• CDW gaps are strongly momentum-dependent with multiple energy scales: saddle-point band up to ~70 meV, Dirac band 0–18 meV, and Γ/AP electron pocket showing no gap.
• A hump around 70 meV in EDCs at the saddle-point kF point indicates a CDW gap opening on the saddle-point band.
• The Dirac-band gap (~16 meV at some points) is anisotropic and can vanish along certain directions (ΓK/AL line).
• CDW gap is absent on the Γ/AP electron pocket across measured cuts.
• Anisotropy places maximum gaps near θ ≈ 0° (ΓM/AL) and minimum near θ ≈ ±30° (ΓK/AH) for both saddle-point and Dirac bands.
• STM/STS and optical spectroscopy signatures (broad hump ~70 meV, V-shaped DOS, Drude weight suppression) align with ARPES-observed CDW scales.
• The data support inter-band scattering between saddle points via Q=(π,0) as a major energy-gain mechanism for CDW.
• A 3D CDW component (2×2×2) remains puzzling and may require further kz-selective studies.
• The results imply that superconductivity may be influenced by the largely gapped saddle-point band and CDW gap nodes on Dirac bands.