[論文レビュー] Twofold van Hove singularity and origin of charge order in topological kagome superconductor CsV3Sb5

Min‐Gu Kang, Shiang Fang+15 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本研究は、CsV3Sb5が、異なるkagome軌道特性に起因する2種類の異なるタイプのvan Hove特異点（vHs）—p型およびm型—を有することを明らかにした。m型vHsはdxz/dyzバンドに、p型vHsはdxy/dx2-y2バンドに存在し、両者ともフェルミ準位を通過する。これらの特異点は電子的対称性の破れを引き起こし、強いフェルミ面ネストと高次相関を介して電荷秩序を駆動する。kagome由来のvHsが、AV3Sb5超伝導体における相関状態の出現に中心的な役割を果たすことが確立された。

ABSTRACT

The layered vanadium antimonides AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) are a recently discovered family of topological kagome metals with a rich phenomenology of strongly correlated electronic phases including charge order and superconductivity. Understanding how the singularities inherent to the kagome electronic structure are linked to the observed many-body phases is a topic of great interest and relevance. Here, we combine angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory to reveal multiple kagome-derived van Hove singularities (vHs) coexisting near the Fermi level of CsV3Sb5 and analyze their contribution to electronic symmetry breaking. Intriguingly, the vHs in CsV3Sb5 have two distinct flavors - p-type and m-type - which originate from their pure and mixed sublattice characters, respectively. This twofold vHs is unique property of the kagome lattice, and its flavor critically determines the pairing symmetry and ground states emerging in AV3Sb5 series. We establish that, among the multiple vHs in CsV3Sb5, the m-type vHs of the dxz/dyz kagome band and the p-type vHs of the dxy/dx2-y2 kagome band cross the Fermi level to set the stage for electronic symmetry breaking. The former band exhibits pronounced Fermi surface nesting, while the latter contributes via higher-order vHs. Our work reveals the essential role of kagome-derived vHs for the collective phenomena realized in the AV3Sb5 family, paving the way to a deeper understanding of strongly correlated topological kagome systems.

研究の動機と目的

• トポロジカルkagome超伝導体CsV3Sb5における電荷秩序および超伝導の出現に寄与するvan Hove特異点（vHs）の役割を理解すること。
• kagome格子内のCsV3Sb5においてフェルミ準位付近に存在する複数のvHsの起源および性質を特定すること。
• 異なるvHsの種類（p型およびm型）が、電子的対称性の破れおよび相関状態の基底状態にどのように異なる影響を及ぼすかを同定すること。
• 電子構造の特徴とAV3Sb5ファミリー材料で観測された強相関現象を結びつけること。

提案手法

• CsV3Sb5におけるフェルミ準位近傍の電子バンド構造およびvHsを直接プローブするための角度分解光電子分光法（ARPES）。
• 電子構造をモデル化し、ARPESの観測結果を検証するための密度汎関数理論（DFT）計算。
• サブラティス混合に基づき、軌道的性質（dxz/dyz 対 dxy/dx2-y2）を分析し、vHsをp型またはm型に分類すること。
• フェルミ面ネストおよび高次van Hove特異点の分析により、対称性の破れにおけるその役割を評価すること。
• AV3Sb5シリーズ全体におけるvHsの寄与を比較し、普遍的なメカニズムを同定すること。
• 対称性およびバンド位相空間解析を用いて、vHsと出現する相関状態との関連を結びつけること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsV3Sb5の電子構造に存在するvan Hove特異点の種類は何か。それらは性質においてどのように異なるか。
• RQ2 kagomeバンド内のp型およびm型vHsは、CsV3Sb5における電子的対称性の破れにどのように寄与するか。
• RQ3 この系における電荷秩序形成を駆動しているvHsはどれか。
• RQ4 軌道的性質（dxz/dyz 対 dxy/dx2-y2）は、vHsの性質およびその影響にどのように寄与するか。
• RQ5 高次van Hove特異点は、AV3Sb5材料における相関状態の基底状態の安定化に果たす役割は何か。

主な発見

• CsV3Sb5は、フェルミ準位付近に複数のkagome由来のvan Hove特異点（vHs）を有し、2種類の異なるタイプ（p型およびm型）が存在する。
• m型vHsは混合サブラティス特性（dxz/dyzバンド）に起因し、p型vHsは純粋なサブラティス特性（dxy/dx2-y2バンド）に起因する。
• dxz/dyzバンドにおけるm型vHsは強いフェルミ面ネストを示し、電荷秩序の形成を促進する。
• dxy/dx2-y2バンドにおけるp型vHsは高次特異点を介して電子相関を強化する。
• これらの2種類のvHsが共存することはkagome格子に特有の特徴であり、AV3Sb5における対称性の破れおよび基底状態の決定に不可欠である。
• 本研究は、kagome由来のvHsが、トポロジカルkagome超伝導体における相関現象の出現に不可欠であることを確立した。