[論文レビュー] Superconductivity and orbital-selective nematic order in a new titanium-based kagome metal CsTi3Bi5

Haitao Yang, Yuhan Ye+18 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、新しいチタン基ケイゴム金属である単結晶状CsTi3Bi5の合成を報告し、Tc ≈ 4.8 Kで超伝導性を示し、明確な軌道選択的ネミック状態を示す。AV3Sb5ケイゴム超伝導体とは異なり、この物質は並進対称性を保ちながら、電子的ネミック秩序によって回転対称性を破る。これは、Tiのdxzおよびdyz軌道が主に駆動しており、方位依存磁気抵抗および走査トンネル顕微鏡における準粒子干渉パターンによって確認された。

ABSTRACT

Fabrication of new types of superconductors with novel physical properties has always been a major thread in the research of superconducting materials. An example is the enormous interests generated by the cascade of correlated topological quantum states in the newly discovered vanadium-based kagome superconductors AV3Sb5 (A=K, Rb, and Cs) with a Z2 topological band structure. Here we report the successful fabrication of single-crystals of titanium-based kagome metal CsTi3Bi5 and the observation of superconductivity and electronic nematicity. The onset of the superconducting transition temperature Tc is around 4.8 K. In sharp contrast to the charge density wave superconductor AV3Sb5, we find that the kagome superconductor CsTi3Bi5 preserves translation symmetry, but breaks rotational symmetry and exhibits an electronic nematicity. The angular-dependent magnetoresistivity shows a remarkable two-fold rotational symmetry as the magnetic field rotates in the kagome plane. The scanning tunneling microscopy and spectroscopic imaging detect rotational-symmetry breaking C2 quasiparticle interference patterns (QPI) at low energies, providing further microscopic evidence for electronic nematicity. Combined with first-principle calculations, we find that the nematic QPI is orbital-selective and dominated by the Ti dxz and dyz orbitals, possibly originating from the intriguing orbital bond nematic order. Our findings in the new "135" material CsTi3Bi5 provide new directions for exploring the multi-orbital correlation effect and the role of orbital or bond order in the electron liquid crystal phases evidenced by the symmetry breaking states in kagome superconductors.

研究の動機と目的

• 高品質な単結晶CsTi3Bi5の合成を通じて、その電子的性質を研究すること。
• このチタン基ケイゴム系において、超伝導性および対称性破れ電子状態の存在を調査すること。
• AV3Sb5材料と同様に、電荷密度波秩序が存在しない状況で電子的ネミック性が出現するかを検証すること。
• 実験的・理論的分析を統合して、ネミック秩序を引き起こす軌道的特徴およびその微視的起源を特定すること。

提案手法

• 高構造的品質を達成するため、フラックス法を用いたCsTi3Bi5の単結晶成長。
• 面内磁場下における回転対称性の破れを調べるため、方位依存磁気抵抗の測定。
• 低温での走査トンネル顕微鏡およびスペクトル的イメージングによる準粒子干渉（QPI）パターンの取得。
• 第一原理的電子構造計算を用いて、ネミック状態の軌道的特徴および対称性の分析。
• 実験的ネミック性と理論的予測を比較し、軌道選択的結合秩序の特定。
• 抵抗率および磁化率測定による超伝導転移の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チタン基ケイゴム金属CsTi3Bi5は超伝導性を示すか？その臨界温度は何か？
• RQ2 CsTi3Bi5に電子的ネミック秩序の証拠があるか？並進対称性を破らずに回転対称性が破れるか？
• RQ3 どの原子軌道がネミック準粒子干渉を支配しており、ネミック性は軌道選択的か？
• RQ4 ネミック秩序の微視的起源は何か？具体的には、軌道結合ネミック性によって駆動されているか？
• RQ5 CsTi3Bi5におけるネミック状態は、AV3Sb5ケイゴム超伝導体のそれとどのように異なるか？

主な発見

• CsTi3Bi5は抵抗率および磁化率測定により確認されたTc ≈ 4.8 Kの超伝導性を示す。
• 方位依存磁気抵抗において明確な二重対称性が観測され、C4回転対称性の破れを示す電子的ネミック性を示している。
• 走査トンネル顕微鏡により、低温でのC2対称性の準粒子干渉パターンが観測され、ネミック秩序の直接的な微視的証拠が得られた。
• ネミック準粒子干渉は主に軌道選択的であり、第一原理計算によりTiのdxzおよびdyz軌道に起因することが確認された。
• ネミック秩序は、dxzおよびdyz軌道が優先的に結合する軌道結合ネミック状態に起因するとされ、電荷密度波の形成なしに回転対称性を破る。
• この系は並進対称性を保ち、AV3Sb5型ケイゴム超伝導体とは異なり、相関のあるケイゴム金属におけるネミック性の新たな経路を示している。