[論文レビュー] The effect of the interlayer ordering on the Fermi surface of Kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ revealed by quantum oscillations

Christopher Broyles, David Graf+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2022

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高磁場量子振動測定を用いて、カグラメ超伝導体CsV₃Sb₅のフェルミ面が、スターオブダビデ（SD）および逆スターオブダビデ（ISD）構造の積層方向の秩序によって顕著に変化することを示した。観測された量子振動周波数の数は、孤立したSDまたはISD歪みに基づく密度汎関数理論（DFT）計算の予測をはるかに上回っており、c軸に沿う2×2×4超格子調制がフェルミ面を本質的に再構築している強力な証拠を示している。

ABSTRACT

The connection between unconventional superconductivity and charge density waves (CDW) has intrigued the condensed matter community and found much interest in the recently discovered superconducting Kagome family of AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Cs, Rb). Xray diffraction and Raman spectroscopy measurements established that the CDW order in CsV$_3$Sb$_5$ comprises of a 2x2x4 structure with stacking of layers of star-of-David (SD) and inverse-star-of-David (ISD) pattern along the $c$-axis direction. Such interlayer ordering will induce a vast normalization of the electronic ground state; however, it has not been observed in Fermi surface measurements. Here we report quantum oscillations of CsV$_3$Sb$_5$ using tunnel diode oscillator frequency measurements. We observed a large number of frequencies, many of which were not reported. The number of frequencies can not be explained by DFT calculations when only SD or ISD distortion is considered. Instead, our results are consistent with calculations when interlayer ordering is taken into account, providing strong evidence that CDW phase of CsV$_3$Sb$_5$ has complicated structure distortion which in turn has dramatic effects on the Fermi surface properties.

研究の動機と目的

• CsV₃Sb₅のフェルミ面における観測された量子振動周波数と理論的予測の間の不一致を解明すること。
• SDおよびISD構造の積層が電子状態およびフェルミ面トポロジーに与える影響を調査すること。
• 量子振動実験で観測された複雑なフェルミ面が、2×2×4超格子調制によって説明可能かどうかを特定すること。
• X線回折およびラマン分光法から以前に推定された積層秩序が、量子振動データに検出可能な痕跡を残すかどうかを検証すること。
• CDW誘発構造歪みが、カグラメ超伝導体における電子的性質をどのように変化させるかを明確にすること。

提案手法

• 磁場最大41.5 Tの条件下で、高品質なCsV₃Sb₅単結晶を用いてトンネルダイオードオシレーター（TDO）周波数測定を実施した。
• 0.59 Kから30 Kの温度範囲で量子振動データを取得し、フェルミ面トポロジーを調査した。
• TDO周波数データに対して高速フーリエ変換（FFT）分析を実施し、量子振動周波数を抽出した。
• 観測された周波数を、孤立したSDまたはISD歪みに基づくDFT計算と2×2×4超格子モデルの予測と比較した。
• ノイズ除去および磁場反転解析を用いて、有効質量および周波数フィッティングの精度を向上させた。
• 異なる磁場範囲における周波数パターンの比較を通じて、高次調波および独立したフェルミ面ポケットの存在を評価した。

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多数の量子振動周波数は、SDまたはISD歪みのみを仮定したDFT計算で説明可能か？
• RQ2 SDおよびISD層の積層——特に2×2×4超格子——が、実験的量子振動データと整合するフェルミ面を生じるか？
• RQ3 500–1000 Tおよび1200–1800 T範囲で新たに観測された周波数は、低周波数軌道の高次調波か、それとも独立したフェルミ面ポケットか？
• RQ4 一部の周波数が薄いフラクタルでは観測されなかったが、バルク試料では依然として存在する理由は何か？ これはその起源に何を示唆するか？
• RQ5 CDW相における積層秩序が、電子基底状態およびフェルミ面構造をどの程度顕著に再規格化するか？

主な発見

• 1回の測定で合計14の異なる量子振動周波数が観測され、そのうち複数は以前に報告されていなかった。
• 観測された周波数の数とパターンは、SDまたはISD歪みのみを仮定したDFT計算では説明できず、より複雑な構造モデルの必要性を示している。
• 観測された周波数は、2×2×4超格子構造に基づく理論的予測と強い定性的一致を示しており、積層方向SD/ISD秩序の直接的証明となった。
• 1200–1800 T範囲で新たに報告された6つの周波数は、低周波数軌道の高次調波ではなく、独立したフェルミ面ポケットに対応している。
• 薄いフラクタルの研究で観測されなかったにもかかわらず、バルク試料において同様の高周波数モードが存在することは、これらの特徴が本質的であり、酸化やホールドーピングによるものではないことを示唆している。
• 本結果は、CsV₃Sb₅のCDW相における積層秩序が、単層歪みによる予測をはるかに超えてフェルミ面を顕著に再構築することを示している。