[論文レビュー] Nature of charge density wave in kagome metal ScV6Sn6

Seongyong Lee, Choongjae Won+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、標準的なAV3Sb5系とは異なり、kagome金属ScV6Sn6における電荷密度波（CDW）形成の新しいメカニズムを同定した。角度分解光電子分光法、格子振動計算、Crドーピングを用いて、260 meVのギャップを示す三次元的Snに支配されるバンドが√3×√3 CDWを駆動することを示した。一方、電子的ネスティングやvan Hove特異性は最小限にとどまり、kagome材料における構造的要因に起因するCDW生成が明らかになった。

ABSTRACT

Kagome lattice materials offer a fertile ground to discover novel quantum phases of matter, ranging from unconventional superconductivity and quantum spin liquids to charge orders of various profiles. However, understanding the genuine origin of the quantum phases in kagome materials is often challenging, owing to the intertwined atomic, electronic, and structural degrees of freedom. Here, we combine angle-resolved photoemission spectroscopy, phonon mode calculation, and chemical doping to elucidate the driving mechanism of the root3*root3 charge order in a newly discovered kagome metal ScV6Sn6. In contrast to the case of the archetype kagome system AV3Sb5 (A= K, Rb, Cs), the van Hove singularities in ScV6Sn6 remain intact across the charge order transition, indicating a marginal role of the electronic instability from the V kagome lattice. Instead, we identified a three-dimensional band with dominant planar Sn character opening a large charge order gap of 260 meV and strongly reconstructing the Fermi surface. Our complementary phonon dispersion calculations further emphasize the role of the structural components other than the V kagome lattice by revealing the unstable planar Sn and Sc phonon modes associated to the root3*root3 phase. Finally, in the constructed phase diagram of Sc(V1-xCrx)6Sn6, the charge order remains robust in a wide doping range x = 0 ~ 0.10 against the Fermi level shift up to ~ 120 meV, further making the electronic scenarios such as Fermi surface or saddle point nesting unlikely. Our multimodal investigations demonstrate that the physics of ScV6Sn6 is fundamentally different from the canonical kagome metal AV3Sb5, uncovering a new mechanism to induce symmetry-breaking phase transition in kagome lattice materials.

研究の動機と目的

• 新しく発見されたkagome金属ScV6Sn6における√3×√3電荷密度波（CDW）の微視的起源を特定すること。
• V kagome格子からの電子的不安定性と構造的自由度のどちらがCDW転移を支配しているかを解明すること。
• 化学的ドーピングによるフェルミ準位の調整によってCDW相の安定性をテストすること。
• よく知られたAV3Sb5ファミリーと比較し、CDWメカニズムの根本的な相違点を特定すること。

提案手法

• CDW転移に伴うフェルミ表面再構築を追跡するため、電子構造をマップする角度分解光電子分光法（ARPES）の実施。
• SnおよびScの平面における構造的不安定性に関連する軟モードを特定するための格子振動分散計算。
• Sc(V1−xCrx)6Sn6におけるVサイトへのCrドーピングにより、フェルミ準位を最大120 meVまで調整し、CDWの安定性を調査。
• CDW駆動要因としてのvan Hove特異性およびフェルミ表面ネスティングの役割を評価する。
• マルチモーダルな実験的および計算的手法を用いて、電子的および構造的寄与の両方を比較分析。
• ドーピングに伴うCDW相の安定性を評価するため、Sc(V1−xCrx)6Sn6の相図を構築。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ScV6Sn6における√3×√3電荷密度波の主な電子的または構造的起源は何か。AV3Sb5とはどのように異なるか。
• RQ2 V kagomeバンド内のvan Hove特異性が、ScV6Sn6におけるCDW不安定性にどの程度寄与しているか。
• RQ3 CDW転移に伴いフェルミ表面はどのように変化するか。ネスティングが主要因であるか。
• RQ4 SnおよびScに関与する格子振動モードが、CDWの安定化に果たす役割は何か。
• RQ5 Crドーピングによるフェルミ準位のシフトに対して、CDW相はどの程度安定しているか。

主な発見

• V kagomeバンド内のvan Hove特異性はCDW転移に伴いほとんど変化せず、V格子からの電子的不安定性は限定的であることが示された。
• 主に平面的Snに由来する三次元的バンドが260 meVの大きな電荷秩序ギャップを形成し、フェルミ表面を強く再構築した。
• 格子振動分散計算により、平面的SnおよびSc原子に起因する不安定なモードが特定され、CDWがV kagome格子を越えた構造的歪みに起因することが示された。
• ドーピング範囲（x = 0から0.10）にわたりCDW相が広く安定しており、フェルミ準位のシフトが最大120 meVであっても、フェルミ表面ネスティングやサドルポイントネスティングが主因でないことが裏付けられた。
• ScV6Sn6におけるCDWはAV3Sb5とは根本的に異なり、Vバンドネスティングではなく、SnおよびScの構造的自由度に起因する独自のメカニズムを持つ。
• 本研究の結果は、kagome材料におけるCDW形成の新しいパラダイムを確立し、非kagomeサイト原子およびその格子力学の重要性を強調した。