[논문 리뷰] Coexistence of Tri-Hexagonal and Star-of-David Pattern in the Charge Density Wave of the Kagome Superconductor AV$_3$Sb$_5$

Yong Hu, Xianxin Wu외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 17.

Topological Materials and Phenomena인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 역학적 분광법과 밀도함수이론을 통해 AV₃Sb₅ 카고메 초전도체에서 삼각육각형 및 별형-육각형 전하 밀도파(CDW) 변형이 공존하고 있음을 밝혀내었다. 이러한 패tern의 번갈아 가로지르는 배열은 3차원 2×2×2 또는 2×2×4 CDW 순서를 이끌어내며, 이는 오랫동안 남아있던 CDW의 구조적 성격에 대한 모순을 해결하고 이 물질군의 비정상 전자적 성질을 이해하는 기초를 제공한다.

ABSTRACT

The recently discovered layered kagome metals AV$_3$Sb$_5$(A=K, Rb, Cs) have attracted much attention because of their unique combination of superconductivity, charge density wave (CDW) order, and nontrivial band topology. The CDW order with an in-plane 2x2 reconstruction is found to exhibit exotic properties, such as time-reversal symmetry breaking and rotational symmetry breaking. However, the nature of the CDW, including its dimensionality, structural pattern, and effect on electronic structure, remains elusive despite intense research efforts. Here, using angle-resolved photoemission spectroscopy, we unveil for the first time characteristic double-band splittings and band reconstructions, as well as the band gap resulting from band folding, in the CDW phase. Supported by density functional theory calculations, we unambiguously show that the CDW in AV$_3$Sb$_5$ originates from the intrinsic coexistence of Star-of-David and Tri-Hexagonal distortions. The alternating stacking of these two distortions naturally leads to three-dimensional 2x2x2 or 2x2x4 CDW order. Our results provide crucial insights into the nature and distortion pattern of the CDW order, thereby laying down the basis for a substantiated understanding of the exotic properties in the family of AV$_3$Sb$_5$ kagome metals.

연구 동기 및 목표

• AV₃Sb₅ 카고메 초전도체에서 전하 밀도파(CDW) 순서의 구조 패턴과 차원성에 대한 오랫동안 남아있던 암묵적 모순을 해결하기 위해.
• 관측된 2×2 평면 CDW 재구성은 단일 변형 패턴에 기인한 것인지, 다중 구조 모티프의 공존 패턴에 기인한 것인지 규명하기 위해.
• 특히 밴드 접힘과 갭 형성과 관련하여 CDW가 전자 밴드 구조에 미치는 영향을 명확히 하기 위해.
• 내재된 격자 변형과 그들이 3차원에서의 쌓기 방식을 통합적으로 이해하여 CDW 기원을 통합적으로 설명하기 위해.
• AV₃Sb₅에서 시간역전대칭 깨짐과 회전대칭 깨짐과 같은 비정상 현상들을 설명하는 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• AV₃Sb₅의 CDW 상에서 밴드 분할, 재구성 및 갭을 직접 관측하기 위해 각도의존 광전자분광법(ARPES)이 사용되었다.
• 격자 변형과 그들의 전자적 영향을 모델링하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산이 수행되었다.
• 삼각육각형 및 별형-육각형 변형 패턴의 에너지 안정성과 전자 반응을 비교하는 데 초점을 맞춘 이론적 모델링이 수행되었다.
• 두 변형 패턴의 공존을 시뮬레이션하여 그 쌓기 방식과 결과적으로 나타나는 3차원 CDW 초구조를 평가하였다.
• 관측된 ARPES 특징과 기초 CDW 주기성과의 연관성을 규명하기 위해 밴드 접힘 효과가 분석되었다.
• 2×2×2 및 2×2×4 CDW 초구조는 두 변형 유형의 번갈아 쌓기의 가능한 결과로 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AV₃Sb₅에서 2×2 평면 CDW 순서의 진정한 구조 패턴은 무엇인가?
• RQ2 관측된 CDW는 단일 변형 패턴으로 설명될 수 있는가, 아니면 다중 패턴의 공존이 필요한가?
• RQ3 삼각육각형 및 별형-육각형 변형은 어떻게 상호작용하여 관측된 3차원 CDW 초구조를 생성하는가?
• RQ4 밴드 접힘은 실험적으로 관측된 이중 밴드 분할과 갭을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이러한 변형의 쌓기 방식은 어떻게 2×2×2 또는 2×2×4 주기성을 가지는 3차원 CDW 순서로 이어지는가?

주요 결과

• ARPES와 DFT에 의한 확인으로 AV₃Sb₅의 CDW는 내재된 삼각육각형 및 별형-육각형 격자 변형의 공존에 기인한다.
• ARPES 측정에서 2×2×2 또는 2×2×4 CDW 초구조와 일치하는 특징적인 이중 밴드 분할 및 밴드 재구성이 관측되었다.
• 밴드 접힘으로 인한 갭이 관측되어 전자 구조와 CDW 주기성 간의 직접적인 연관성이 입증되었다.
• 삼각육각형 및 별형-육각형 변형의 번갈아 쌓기는 자연스럽게 3차원 CDW 순서의 발생을 설명한다.
• 결과적으로 오랫동안 남아있던 CDW 기원에 대한 암묵적 모순이 해결되었으며, 비정상 대칭 깨짐 상태에 대한 통합적 설명이 가능해졌다.
• 이러한 발견은 AV₃Sb₅ 카고메 금속에서 시간역전대칭 및 회전대칭 깨짐을 이해하는 데 기초를 마련하였다.