[論文レビュー] Quantum transport evidence of topological band structures of kagome superconductor CsV3Sb5

Yang Fu, Ningning Zhao+9 more|PubMed|Apr 16, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、最大32 Tの高場におけるシュビニコフ＝ド・ハース（SdH）振動測定を用いて、kagome超伝導体CsV₃Sb₅における非自明なトポロジカルバンド構造の直接的量子輸送的証明がなされた。LおよびK/H点におけるフェルミ表面軌道のベリー位相がπに近いことが観測され、これが電荷密度波（CDW）状態におけるトポロジカルに非自明な電子状態を確認するものである。理論的モデリングにより、逆星型（ISD）格子歪みが最も安定した構造であると支持されている。

ABSTRACT

We report the transport properties of kagome superconductor CsV_{3}Sb_{5} single crystals at magnetic field up to 32 T. The Shubnikov-de Haas oscillations emerge at low temperature and four frequencies of F_{α}=27 T, F_{β}=73 T, F_{ε}=727 T, and F_{η}=786 T with relatively small cyclotron masses are observed. For F_{β} and F_{ε}, the Berry phases are close to π, providing clear evidence of nontrivial topological band structures of CsV_{3}Sb_{5}. Furthermore, the consistence between theoretical calculations and experimental results implies that these frequencies can be assigned to the Fermi surfaces locating near the boundary of Brillouin zone and confirms that the structure with an inverse Star of David distortion could be the most stable structure at charge density wave state. These results will shed light on the nature of correlated topological physics in kagome material CsV_{3}Sb_{5}.

研究の動機と目的

• kagome超伝導体CsV₃Sb₅の電荷密度波（CDW）状態におけるトポロジカルな電子構造を調査すること。
• 高場量子輸送測定を用いてフェルミ表面の極値軌道の性質とそのトポロジカル特性を特定すること。
• 理論的モデリングと実験的SdHデータを用いて、CDW相における逆星型（ISD）格子歪みの安定性を検証すること。
• 相関性が強いkagome材料におけるトポロジカルバンド構造、サイクロトロン質量、およびベリー位相の関係を明確にすること。

提案手法

• 最大32 Tの磁場下における単結晶CsV₃Sb₅の高精度輸送測定、特にab面抵抗率ρₓₓに注目する。
• シュビニコフ＝ド・ハース（SdH）量子振動の解析により、フェルミ表面周波数（F）、有効サイクロトロン質量（m*）、ベリー位相（ϕ_B）を抽出する。
• 逆星型（ISD）歪みを含む3次元ブリユアンゾーンを用いたフェルミ表面断面の理論的モデリングにより、極値軌道を模擬する。
• 第一原理計算に基づくISD構造予測周波数およびベリー位相と、実験的に測定されたSdH周波数およびベリー位相を比較する。
• フェルミ表面ポケットの形状と方位を確認するため、SdH周波数の角度依存性測定を実施する。特にF_βについて注目する。
• 信号の明瞭化を図るため、ρₓₓ(μ₀H)から滑らかな背景を差し引いて、振動成分Δρₓₓを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅における観測されたSdH振動は、CDW状態における非自明なトポロジカルバンド構造の存在を示唆するか？
• RQ2 観測されたフェルミ表面周波数（F_α = 27 T, F_β = 73 T, F_ε = 727 T, F_η = 786 T）の起源は何か？それらはフェルミ表面トポロジーとどのように関係するか？
• RQ3 特定のフェルミ表面軌道（F_βおよびF_ε）における測定されたベリー位相がπに近いかどうか。これにより、トポロジカル非自明性の証拠が得られるか？
• RQ4 理論と実験の整合性から、逆星型（ISD）格子歪みがCDW状態における最も安定した構造相であると支持されるか？
• RQ5 3次元の2×2×2スーパーラティスにおけるc軸に沿った格子歪みが、フェルミ表面および観測されたSdH周波数にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 4つの異なるSdH振動周波数が観測された：F_α = 27 T, F_β = 73 T, F_ε = 727 T, F_η = 786 T。これは複数のフェルミ表面ポケットの存在を示している。
• これらの軌道の有効サイクロトロン質量（m*）は小さく、F_βではm* ≈ 0.142(4) mₑであり、L点近傍の線形分散を示している。
• F_βおよびF_ε軌道のベリー位相ϕ_Bはπに非常に近い（それぞれ1.01πおよび0.98π）、非自明なトポロジカルバンド構造の直接的証明である。
• ISD歪み構造に基づく理論的計算は、実験的SdH周波数の傾向と角度依存性をうまく再現しており、F_βがL点における楕円体ポケットに対応することを確認している。
• 実験と理論の整合性から、CsV₃Sb₅のCDW状態における逆星型（ISD）歪みが最も安定した構造であると支持される。
• A点近傍のフェルミ表面は、大きな六角形断面を示し、k_z = 0平面では不連続的になる。これはARPESおよびバンド構造予測と整合的である。