[論文レビュー] Orbital ordering and fluctuations in a kagome superconductor CsV3Sb5

D. W. Song, L. X. Zheng+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、kagome超伝導体CsV3Sb5における電子的不安定性を、51Vおよび133Cs核磁気共鳴（NMR）を用いて調査した。94 K付近で軌道秩序が駆動する一次転移が観測され、それに続く二次的転移として電荷密度波（CDW）秩序が現れる。結果は、vanadium 3d軌道からの磁気揺らぎが軌道秩序によって抑制されることを示しており、このトポロジカルに非自明な超伝導体における軌道秩序とCDW物理学の複雑な相互作用を明らかにしている。

ABSTRACT

Recently, competing electronic instabilities, including superconductivity and density-wave-like order, have been discovered in vanadium-based kagome metals AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) with a nontrivial band topology. This finding stimulates wide interests to study the interplay of these competing electronic orders and possible exotic excitations in the superconducting state. Here, in order to further clarify the nature of density-wave-like transition in these kagome superconductors, we performed 51V and 133Cs nuclear magnetic resonance (NMR) measurements on the CsV3Sb5 single crystal. A first-order phase transition associated with orbital ordering is revealed by observing a sudden splitting of orbital shift in 51V NMR spectrum at the structural transition temperature Ts ~ 94 K. In contrast, the quadrupole splitting from a charge-density-wave (CDW) order on 51V NMR spectrum only appears gradually below Ts with a typical second-order transition behavior, suggesting that the CDW order is a secondary electronic order. Moreover, combined with 133Cs NMR spectrum, the present result also confirms a three-dimensional structural modulation with a 2ax2ax2c period. Above Ts, the temperature-dependent Knight shift and nuclear spin-lattice relaxation rate (1/T1) further indicate the existence of remarkable magnetic fluctuations from vanadium 3d orbitals, which are suppressed due to orbital ordering below Ts. The present results strongly support that, besides CDW order, the previously claimed density-wave-like transition also involves a dominant orbital order, suggesting a rich orbital physics in these kagome superconductors.

研究の動機と目的

• kagome超伝導体CsV3Sb5における密度波的転移の性質を明らかにすること。
• 主たる電子的不安定性としての軌道秩序と電荷密度波（CDW）秩序の区別をすること。
• 転移温度より上でのvanadium 3d軌道の揺らぎの役割を調査すること。
• CsV3Sb5における構造的周期性の次元性と周期性を特定すること。
• 競合する電子的秩序の相互作用とそれらが超伝導性に与える影響を理解すること。

提案手法

• 単結晶CsV3Sb5を用いた高度に最適化された51Vおよび133Cs核磁気共鳴（NMR）測定。
• 温度依存性Knightシフトおよびスピン・ラティス緩和率（1/T1）の分析により、磁気揺らぎを調査。
• 51V NMRのスピン分離を検討し、軌道秩序およびCDW秩序パラメータを特定。
• 四極子分裂解析を用いて、一次転移（軌道秩序）と二次転移（CDW）を区別。
• 133Cs NMRデータを統合し、三次元的2a×2a×2cの構造的周期性を確認。
• 第一原理計算および対称性解析を用いて、NMRデータを軌道秩序および電荷秩序の観点から解釈。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5における約94 Kでの密度波的転移の性質は何か？
• RQ2 この転移は主に軌道秩序によるものか、それとも電荷密度波（CDW）秩序によるものか？
• RQ3 vanadium 3d軌道の揺らぎは、転移温度を境にどのように変化するか？
• RQ4 CsV3Sb5における構造的周期性の次元性と周期性は何か？
• RQ5 kagome格子において、軌道秩序とCDW秩序はどのように共存し、互いにどのように影響し合うか？

主な発見

• 51V NMRスペクトルの急激な分裂により、Ts ≈ 94 Kで一次転移が特定され、これが軌道秩序を示唆している。
• 51V NMRにおけるCDW秩序はTs未満で徐々に発現し、二次転移の挙動と整合的である。
• 133Cs NMRスペクトルにより、構造的周期性が三次元的2a×2a×2cであることが確認された。
• Tsより上では、温度依存性Knightシフトおよび1/T1が、vanadium 3d軌道からの強い磁気揺らぎを示している。
• これらの磁気揺らぎは、Ts未満で軌道秩序により抑制されており、軌道秩序とスピンダイナミクスとの強い相関が示唆される。
• 本研究の結果は、密度波的転移が主に軌道秩序に起因し、CDWが二次的不安定性であることを確立しており、kagome超伝導体における豊かな軌道物理学の重要性を強調している。