[論文レビュー] Unidirectional coherent quasiparticles in the high-temperature rotational symmetry broken phase of AV3Sb5 kagome superconductors

Hong Li, H. Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、分光的イメージング走査トンネル顕微鏡を用いて、AV3Sb5カゴメ超伝導体において、超伝導転移温度より高い温度で一方向に整列した準粒子が出現することを明らかにした。これは高温の回転対称性破れ相を示しており、運動量空間における明著な一方向的特徴を示す。この特徴は超伝導に近づくにつれて強化され、電荷秩序と超伝導の間の明確な中間相であることが示唆される。

ABSTRACT

Kagome metals AV3Sb5 (where the A can stand for K, Cs, or Rb) display a rich phase diagram of correlated electron states, including superconductivity and density waves. Within this landscape, recent experiments revealed signs of a transition below approximately 35 K attributed to an electronic nematic phase that spontaneously breaks rotational symmetry of the lattice. Here, we show that rotational symmetry breaking initiates universally at a high temperature in these materials, toward the 2 x 2 charge density wave transition temperature. We do this via spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy and study atomic-scale signatures of electronic symmetry breaking across several materials in the AV3Sb5 family: CsV3Sb5, KV3Sb5 and Sn-doped CsV3Sb5. Below a significantly lower temperature of about 30 K, we measure quantum interference of quasiparticles, a key signature for the formation of a coherent electronic state. These quasiparticles display a pronounced unidirectional feature in reciprocal space that strengthens as the superconducting state is approached. Our experiments reveal that high-temperature rotation symmetry breaking and the charge ordering states are separated from the superconducting ground state by an intermediate-temperature regime with coherent unidirectional quasiparticles. This picture is phenomenologically different compared to that in high-temperature superconductors, shedding light on the complex nature of rotation symmetry breaking in AV3Sb5 kagome superconductors.

研究の動機と目的

• AV3Sb5カゴメ超伝導体の複数の材料を対象に、電子構造と対称性の破れを調査すること。
• 回転対称性の破れが発生する温度スケールが、電荷密度波転移および超伝導転移とどのように相関するかを特定すること。
• 中間温度領域における準粒子の出現とその運動量空間的特徴を同定すること。
• これらの強相関電子系において、回転対称性の破れ、電荷秩序、超伝導の関係を明確にすること。

提案手法

• 原子スケールで局所的電子構造をプローブする分光的イメージング走査トンネル顕微鏡（SI-STM）を用いる。
• 準粒子の量子干渉パターンを測定し、コherenecと運動量空間における異方性を評価する。
• 準粒子散乱の逆空間シグネチャを分析して、電子状態に一方向の特徴があるかを検出する。
• CsV3Sb5、KV3Sb5、SnドープCsV3Sb5の結果を比較し、AV3Sb5族における普遍的挙動を確立する。
• 高温から超伝導転移温度まで、電子状態の温度依存的変化をマッピングする。
• 準粒子干渉（QPI）を用いて、コherentと非コherentな電子応答を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AV3Sb5カゴメ超伝導体において、回転対称性の破れはどの温度で開始されるか？
• RQ2 超伝導転移温度より高い領域で、一方向に整列した準粒子はどのように運動量空間に現れ、進化するか？
• RQ3 高温の回転対称性破れ相と2×2電荷密度波状態の関係は何か？
• RQ4 電荷秩序と超伝導の間に、一意の電子相として一方向に整列した準粒子を持つ相が存在するか？
• RQ5 異なるAV3Sb5材料において、一方向に整列した準粒子の出現はどの程度普遍的か？

主な発見

• AV3Sb5材料における回転対称性の破れは、普遍的に高い温度で発生し、2×2電荷密度波転移温度付近に位置する。
• 運動量空間に顕著な一方向的特徴を示すコherent準粒子は、約30 K未塔で出現し、超伝導転移温度よりもはるかに高い温度で観測される。
• 系が超伝導状態に近づくにつれて、一方向の準粒子特徴が強化され、コherenecの増大を示唆する。
• 電荷密度波相と超伝導相の間には、コherentな一方向に整列した準粒子が特徴づけられる中間温度領域が存在する。
• 観測された電子状態は、高温超伝導体のそれとは顕著に異なる現象的性質を示し、AV3Sb5における特異な対称性破れの物理を強調する。
• CsV3Sb5、KV3Sb5、SnドープCsV3Sb5の結果は一貫しており、AV3Sb5族における普遍的挙動を確認する。