[論文レビュー] Optical spectroscopy and band structure calculations of structural phase transition in the Vanadium-based kagome metal ScV$_6$Sn$_6$

Tianchen Hu, Pi, Hanqi+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、光学分光法および第一原理バンド構造計算を用いて、kagome金属ScV6Sn6における一次相転移の最初の報告を試みる。ギャップの形成がない突然のバンド構造の変化が観測され、これは遷移が従来のフェルミ面ネストやCDW凝縮ではなく、格子不安定性によって駆動されていることを示唆しており、関連するAV3Sb5系とは異なっている。

ABSTRACT

In condensed matter physics, materials with kagome lattice display a range of exotic quantum states, including charge density wave (CDW), superconductivity and magnetism. Recently, the intermetallic kagome metal ScV6Sn6 was discovered to undergo a first-order structural phase transition with the formation of a root3xroot3x3 CDW at around 92 K. The bulk electronic band properties are crucial to understanding the origin of the structural phase transition. Here, we conducted an optical spectroscopy study in combination with band structure calculations across the structural transition. Our findings showed abrupt changes in the optical reflectivity/conductivity spectra as a result of the structural transition, without any observable gap formation behavior. The optical measurements and band calculations actually reveal a sudden change of the band structure after transition. It is important to note that this phase transition is of the first-order type, which distinguishes it from conventional density-wave type condensations. Our results provide an insight into the origin of the structural phase transition in this new and unique kagome lattice.

研究の動機と目的

• vanadiumを含むkagome金属ScV6Sn6における一次相転移の起源を理解すること。
• 遷移が従来のフェルミ面ネストまたは電子-格子結合によって駆動されているかどうかを特定すること。
• 特にCDWギャップが存在しない状況において、電子バンド構造の変化が遷移に果たす役割を明確にすること。
• CDWと超伝導が共存するAV3Sb5系と比較して、ScV6Sn6における遷移メカニズムを明らかにすること。
• 光学およびバンド構造解析を通じて、遷移が一次型であるかどうかを確立すること。

提案手法

• 92 Kの相転移を示す単結晶ScV6Sn6を用い、温度依存的な光学反射率および導電率測定を実施した。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いた第一原理バンド構造計算により、電子状態およびフェルミ面トポロジーを分析した。
• CDW形成を駆動するフェルミ面ネストの役割を調査するため、電荷感受率χ′₀(q)およびχ′′₀(q)の実部および虚部を計算した。
• スペクトル重みの再分配およびドレーブ応答を分析し、遷移に伴うキャリア密度および散乱率の変化を検出した。
• 遷移行動の差を強調するために、AV3Sb5系の光学応答と比較した。
• 観測された√3×√3×3 CDW周期性を解析に組み込むために、波数ベクトルq = (1/3, 1/3, 1/3)を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学および電子構造データに基づき、ScV6Sn6における構造的相転移の性質は一次型か二次型か。
• RQ2 遷移は、典型的な電荷密度波（CDW）不安定性に見られるような徐々にギャップが開くものか、それとも純粋に構造的変化か。
• RQ3 AV3Sb5系と同様に、フェルミ面ネストがScV6Sn6におけるCDW形成の主因であるか。
• RQ4 光学スペクトルおよびバンド構造はどのように遷移に伴い変化し、電子的応答に何を明らかにするか。
• RQ5 なぜScV6Sn6は超伝導を示さない一方でAV3Sb5の類縁体とは異なり一次相転移を示すのか。

主な発見

• 光学反射率および導電率スペクトルは、約92 Kで急激な変化を示し、ギャップ形成は観察されない。これは、従来のCDW凝縮ではなく、一次相転移であることを示唆する。
• 第一原理計算により確認されたように、バンド構造は遷移に伴い突然再構成されるが、徐々にスペクトル重みが再分配されることはない。
• χ′₀(q)およびχ′′₀(q)の計算によるフェルミ面ネスト解析では、CDW波数ベクトル(1/3,1/3,1/3)で増幅が見られず、従来のネストが駆動要因でないことが否定された。
• 自由キャリア密度が低下しても、低温相では散乱率が低下し、金属的性質が向上している。
• CDW振幅モードの欠如およびスペクトル重みの転送が見られないことから、ScV6Sn6はAV3Sb5系とは明確に異なり、その特徴が際立つ。
• 結果から、遷移は電子-格子結合やネストではなく、フェルミ面付近の特異なサドルポイントと関連する格子不安定性によって駆動されていると示唆される。