[논문 리뷰] Charge-order-assisted topological surface states and flat bands in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Yong Hu, Samuel M. L. Teicher외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 26.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 39인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 카고메 초전도체 CsV₃Sb₅에서 전하 주기성이 페르미 수준 이하의 위상적 표면 상태를 억제함으로써 초전도 전이 시점에서 E_F 근처에서 그들의 활성화를 가능하게 한다는 것을 밝혀냈다. 각도 분 giải 광전자 방사 분석(ARPES)은 강한 전자 상관 효과를 나타내는 평탄한 밴드를 탐지하였으며, 이는 위상성, 상관성, 초전도성 간의 드문 상호작용을 나타내는 플랫폼으로 메이저라 제로 모드를 실현하는 데 기여한다.

ABSTRACT

The diversity of emergent phenomena in quantum materials often arises from the interplay between different physical energy scales or broken symmetries. Cooperative interactions among them are rare; however, when they do occur, they often stabilize fundamentally new ground states or phase behaviors. For instance, a pair density wave can form when the superconducting order parameter borrows spatial periodical variation from charge order; a topological superconductor can arise when topologically nontrivial electronic states proximitize with or participate in the formation of the superconducting condensate. Here, we report spectroscopic evidence for a unique synergy of topology and correlation effects in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ - one where topologically nontrivial surface states are pushed below the Fermi energy (E$_F$) by charge order, making the topological physics active near E$_F$ upon entering the superconducting state. Flat bands are observed, indicating that electron correlation effects are also at play in this system. Our results reveal the peculiar electronic structure of CsV$_3$Sb$_5$, which holds the potential for realizing Majorana zero modes and anomalous superconducting states in kagome lattices. They also establish CsV$_3$Sb$_5$ as a unique platform for exploring the cooperation between the charge order, topology, correlation effects and superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 카고메 초전도체 CsV₃Sb₅에서 전하 주기성, 위상성, 전자 상관 효과 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 전하 주기성이 페르미 수준 근처의 전자 구조 및 위상적 표면 상태에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 강한 전자 상관 효과의 징후로 평탄한 밴드의 존재를 확인하기 위해.
• 카고메 격자에서 메이저라 제로 모드와 비정상적인 초전도 상태를 실현할 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• CsV₃Sb₅의 전자 밴드 구조를 맵핑하기 위해 각도 분해 광전자 방사 분석(ARPES)이 사용되었다.
• 초전도 전이를 걸쳐 스펙트로스코픽 측정을 수행하여 표면 상태와 밴드 분산의 변화를 식별하였다.
• 전하 주기성의 영향을 고려하여 페르미 수준에 대한 위상적 표면 상태의 진화를 분석하였다.
• 밴드 분산 분석을 통해 강한 전자 상관 효과를 나타내는 평탄한 밴드의 존재를 탐지하였다.
• 이론적 해석은 전하 주기성에 의해 유도된 밴드 이동이 E_F 근처에서 위상적으로 비자명한 상태의 발생과 연결됨을 제시하였다.
• 정상 상태와 초전도 상태의 전자 구조를 비교함으로써 초전도 전이 시 위상 활성도가 향상됨을 밝혀냈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅에서 전하 주기성이 페르미 수준에 대한 위상적 표면 상태의 위치와 활성도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 CsV₃Sb₅의 전자 구조에서 강한 전자 상관 효과의 증거는 무엇인가?
• RQ3 전하 주기성과 위상성 간의 상호작용이 초전도 상태에서 위상 활성도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 시스템 내 평탄한 밴드가 강한 전자 상관 효과의 존재를 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 카고메 격자가 위상성, 상관성, 초전도성 간의 상호작용을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• CsV₃Sb₅에서 전하 주기성은 위상적 표면 상태를 페르미 에너지 이하로 이동시키며, 이 상태는 초전도 상태로 전이될 때에만 E_F 근처에서 활성화된다.
• 스펙트로스코픽 측정 결과 평탄한 밴드의 존재가 확인되어 시스템 내 강한 전자 상관 효과를 나타낸다.
• 위상적 표면 상태는 초전도 상에서만 페르미 수준 근처에서 관측되며, 이는 초전도성과의 공조적 상호작용을 시사한다.
• CsV₃Sb₅의 전자 구조는 전하 주기성, 위상성, 전자 상관 효과 간에 고유한 상호작용을 나타낸다.
• 위상적 표면 상태와 초전도성의 공존 덕분에 이 시스템은 메이저라 제로 모드를 실현하기 위한 유망한 플랫폼을 제공한다.
• 결과적으로 CsV₃Sb₅는 카고메 격자에서 다수의 경쟁 주기 간 상호작용을 연구하는 모델 시스템으로서 입증되었다.