[論文レビュー] Spatial symmetry constraint of charge-ordered kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Haoxiang Li, Yu-Xiao Jiang+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、高分解能X線回折、STM、STEMを用いて、kagome超伝導体CsV₃Sb₅における4a₀超構造が、体積的性質ではなく表面特有の現象であることを示した。主な発見は、体積内2×2×2の電荷密度波（CDW）秩序が回転対称性をC₂にまで破り、これが体積内ネミティック秩序および観察された表面超格子を駆動しており、発現する電子秩序に重要な空間的対称性制約を課していることである。

ABSTRACT

Elucidating the symmetry of intertwined orders in exotic superconductors is at the quantum frontier. Recent surface sensitive studies of the topological kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ discovered a cascade 4a$_0$ superlattice below the charge density wave (CDW) ordering temperature, which can be related to the pair density modulations in the superconducting state. If the 4a$_0$ phase is a bulk and intrinsic property of the kagome lattice, this would form a striking analogy to the stripe order and pair density wave discovered in the cuprate high-temperature superconductors, and the cascade ordering found in twisted bilayer graphene. High-resolution X-ray diffraction has recently been established as an ultra-sensitive probe for bulk translational symmetry-breaking orders, even for short-range orders at the diffusive limit. Here, combining high-resolution X-ray diffraction, scanning tunneling microscopy and scanning transmission electron microscopy, we demonstrate that the 4a$_0$ superstructure emerges uniquely on the surface and hence exclude the 4a$_0$ phase as the origin of any bulk transport or spectroscopic anomaly. Crucially, we show that our detected 2$ imes$2$ imes$2 CDW order breaks the bulk rotational symmetry to C2, which can be the driver for the bulk nematic orders and nematic surface superlattices including the 4a$_0$ phase. Our high-resolution data impose decisive spatial symmetry constraints on emergent electronic orders in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅で観察された4a₀超構造が体積的現象か表面的現象かを特定すること。
• このkagome超伝導体における発現する電子秩序を支配する空間的対称性の破れを同定すること。
• 4a₀超格子の連鎖的発生の起源と、体積内輸送および分光的異常との関係を解明すること。
• 高分解能X線回折を、量子材料における体積的並進対称性破れ秩序の感受性なプローブとして確立すること。

提案手法

• 高分解能X線回折を用いて、散乱限界でさえも体積的並進対称性破れをプローブした。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて表面電子構造を像化し、4a₀超格子を検出した。
• 走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いて、表面および近接表面領域の原子スケールの構造的特徴を明らかにした。
• これらの手法の組み合わせにより、表面および体積内の電子的・構造的性質を直接比較可能となった。
• 観察されたCDW秩序の対称性解析を実施し、体積内で保存される点群対称性を同定した。
• 実験データを基盤とした理論的モデリングにより、C₂対称性破れCDWとネミティック秩序の出現との関連を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV₃Sb₅における4a₀超構造は、体積的現象か表面的現象か？
• RQ2 CsV₃Sb₅における体積内電荷密度波秩序の空間的対称性は何か？
• RQ3 体積内CDW秩序は、ネミティック秩序および表面超格子の発生とどのように関係しているか？
• RQ4 高分解能X線回折は、量子材料における短距離並進対称性破れ秩序を検出可能か？
• RQ5 2×2×2 CDWは、観察された4a₀表面超格子を駆動する役割を果たしているか？

主な発見

• CsV₃Sb₅における4a₀超構造は、表面特有の現象であり、体積内には存在しない。
• 体積内2×2×2の電荷密度波秩序が回転対称性をC₂まで破り、明確な空間的対称性制約を確立した。
• このC₂対称性破れCDWが、物質内での体積内ネミティック秩序の主な駆動要因であると推定される。
• 表面における4a₀超格子は、体積内ネミティック秩序によって誘導されるものであり、自体が体積相ではない。
• 高分解能X線回折により、体積内CDW秩序が成功裏に検出され、その対称性破れにおける役割が確認された。
• 本研究では、4a₀相がCsV₃Sb₅における体積内輸送または分光的異常を引き起こす原因ではないと結論づけた。