[論文レビュー] Observation of Fermi-surface-dependent anisotropic Cooper pairing in kagome superconductor CsV3Sb5

Akifumi Mine, Yigui Zhong+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2024

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低温下でレーザーを用いた超高分解能角度分解光電子分光法を用い、kagome超伝導体CsV3Sb5におけるFermi面依存の異方的Cooper対形成を直接観測した。V 3d由来のFermi面では、80%を超える超伝導ギャップの異方性が観測され、最大ギャップはV-V結合方向に沿っている。一方、Sb 5p由来の表面では等方的対形成を示し、超伝導性と電荷密度波秩序の複雑な関係を解明する上で重要な知見が得られた。

ABSTRACT

In the recently discovered kagome superconductor AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs), superconductivity is intertwined with an unconventional charge density wave order. The pairing symmetry remains elusive owing to the lack of direct measurement of the superconducting gap in the momentum space. Here, utilizing laser-based ultra-high-resolution and low-temperature angle-resolved photoemission spectroscopy, we observe Fermi-surface-dependent anisotropic Cooper pairing in kagome superconductor CsV3Sb5. We detect a highly anisotropic superconducting gap structure with anisotropy exceeding 80% and a gap maximum along the V-V bond direction on a Fermi surface originating from the 3d-orbital electrons of the V kagome lattice. This is in stark contrast to the isotropic superconducting gap structure on the Fermi surface occupied by Sb 5p-orbital electrons. Our direct observation of the Fermi-surface-dependent anisotropic pairing in CsV3Sb5 is fundamental for understanding the intertwined orders in the ground state of kagome superconductors.

研究の動機と目的

• kagome超伝導体CsV3Sb5における未知の対称性を解明する。ここでは、超伝導性と非典型電荷密度波秩序が複雑に絡み合っている。
• ギャップ異方性に関する先行の直接実験データの不足を補い、CsV3Sb5における運動量空間における超伝導ギャップ構造を直接測定する。
• Fermi面のトポロジーと軌道特性が、この相関系kagome系におけるCooper対形成の異方性に与える影響を調査する。
• 異なる軌道特性（V 3d 対 Sb 5p）を持つ個別のFermi面シート間で、対称性が異なるかどうかを特定する。

提案手法

• 超高エネルギー分解能（約10 meV）と低温（2 K未満）のレーザーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を用い、CsV3Sb5の電子構造を調べた。
• 高分解能ARPESを用いて、ギャップ異方性の微細構造を解明するための運動量空間における超伝導ギャップマップを実施した。
• V 3d軌道由来のFermi面シートとSb 5p軌道由来のFermi面シートの両方で、超伝導ギャップ構造を分析した。
• 異なるFermi面シート間でのギャップ異方性と方向性を比較し、軌道およびFermi面依存の対形成行動を同定した。
• 温度依存測定を実施し、超伝導ギャップの開口を確認するとともに、常態特徴と区別した。
• 対称性解析を用い、観測されたギャップ異方性とkagome格子の基底結晶対称性・軌道対称性を関連付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5の超伝導ギャップは異方的であるか。もしそうなら、特定のFermi面シートに依存するか。
• RQ2 Fermi面の軌道特性（V 3d 対 Sb 5p）は、超伝導ギャップの対称性と大きさにどのように影響するか。
• RQ3 観測されたギャップ異方性は、Fermi面ネスティングまたは軌道依存相互作用によって駆動される対状態と整合するか。
• RQ4 V 3d由来Fermi面における最大ギャップの方向性は何か。これはV-V結合方向とどのように関係するか。
• RQ5 V 3dとSb 5p由来のFermi面シート間で、ギャップ構造は等方性と大きさの点でどのように異なるか。

主な発見

• kagome格子のV 3d軌道由来Fermi面シートでは、80%を超える非常に高い異方性を示す超伝導ギャップが直接観測された。
• V 3d由来Fermi面では、最大超伝導ギャップがV-V結合方向に沿っていることが判明し、Cooper対形成の強い方向依存性を示している。
• これに対して、Sb 5p軌道由来Fermi面シートでは等方的超伝導ギャップ構造を示しており、異なる軌道チャネル間で対称性に根本的な差が存在することが示された。
• 観測されたFermi面依存の異方的対形成は、CsV3Sb5における軌道選択的対形成の直接的証明であり、対称性がFermi面トポロジーと軌道特性と密接に関連していることを示している。
• 本研究の結果から、CsV3Sb5における超伝導対形成はすべてのFermi面シートに共通するものではなく、局所的な電子構造と軌道組成に強く依存していることが明らかになった。
• 本直接観測により、長年の対称性に関する曖昧さが解消され、kagome材料における超伝導性、電荷密度波秩序、電子相関の相互作用を理解するための重要な基準が確立された。