[논문 리뷰] Discovery of topological charge order in kagome superconductor KV3Sb5

Yu-Xiao Jiang, Jia‐Xin Yin외 21명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 31.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 54인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여 카고메 초전도체 KV3Sb5에서 위상적 전하 질서를 발견하였으며, 2×2 초격자와 전하 조절에서 강도 반전을 보이는 에너지 갭, 그리고 자장에 의해 전환 가능한 나선힘을 가지며, 비정상적인 초전도성과 거대한 비정상 홀 효과를 유도할 수 있는 위상적 전하 질서를 규명하였다.

ABSTRACT

Intertwining exotic quantum order and nontrivial topology is at the frontier of condensed matter physics. A charge density wave (CDW) like order with orbital currents has been proposed as a powerful resource for topological states in the context of the quantum anomalous Hall effect and for the hidden matter in the pseudogap phase of cuprate superconductors. However, the experimental realization of such topological charge order is challenging. Here we use high-resolution scanning tunnelling microscopy (STM) to discover a topological charge order in a kagome superconductor KV3Sb5. Through both lattice-sensitive topography and electronic-sensitive spectroscopic imaging, we observe a 2x2 superlattice, consistent with the star of David deformation in the underlying kagome lattice. Spectroscopically, an energy gap opens at the Fermi level, across which the charge modulation exhibits an intensity reversal, signaling a charge ordering. The strength of charge modulations further displays a clockwise or anticlockwise chiral anisotropy, which we demonstrate can be switched by an applied magnetic field. Our observations and theoretical analysis point to a topological charge order in the frustrated kagome lattice, which not only leads to a giant anomalous Hall effect, but can also be a strong precursor of unconventional superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 카고메 초전도체인 KV3Sb5와 같은 시스템에서 비범한 양자 질서의 존재를 조사하는 것.
• 도전성 카고메 격자에서 궤도 전류를 수반한 전하 밀도파 질서가 실험적으로 실현 가능한지 확인하는 것.
• KV3Sb5에서 위상 질서, 전하 질서, 비정상 초전도성 간의 상호작용을 탐색하는 것.
• 고해상도 스펙트로스코픽 영상 촬영과 자장 조절을 통해 위상적 전하 질서의 징후를 규명하는 것.

제안 방법

• KV3Sb5의 원자 척도 표면 형태와 전자 구조를 탐사하기 위해 고해상도 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하였다.
• 격자 민감도가 있는 표면 형태 영상은 카고메 격자에서 스타 오브 데이비드 변형과 일치하는 2×2 초격자를 드러내었다.
• 전자 민감도가 있는 스펙트로스코픽 영상 촬영을 통해 국소 상태 밀도를 측정하였으며, 패배 수준에서 에너지 갭이 열렸음을 확인하였다.
• 에너지 갭을 가로질러 전하 조절 강도의 반전을 전하 질서의 징후로 사용하였다.
• 나선힘을 탐사하기 위해 자장을 적용하였으며, 시계방향 또는 반시계방향 조절 패tern이 전환되는 것을 입증하였다.
• 이론적 분석은 도전성 카고메 격자 물리학에서 기인한 위상적 전하 질서의 식별을 뒷받침하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KV3Sb5는 전하 조절에서 나선힘을 지닌 위상적 전하 질서를 갖는가?
• RQ2 스펙트로스코픽 영상 촬영을 통해 에너지 갭을 가로질러 강도 반전을 통해 전하 질서의 징후를 드러낼 수 있는가?
• RQ3 적용된 자장은 KV3Sb5의 전하 조절의 나선힘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 카고메 초전도체에서 위상적 전하 질서와 거대한 비정상 홀 효과 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 위상적 전하 질서가 KV3Sb5의 비정상 초전도성의 전구로 작용하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• KV3Sb5의 카고메 격자에서 2×2 초격자가 관측되었으며, 이는 스타 오브 데이비드 변형과 일치하였다.
• 패배 수준에서 에너지 갭이 열렸으며, 전하 조절이 갭을 가로질러 강도 반전을 보여 전하 질서를 확인하였다.
• 전하 조절 강도는 나선힘을 보였으며, 적용된 자장에 의해 시계방향 또는 반시계방향 패턴이 전환되었다.
• 비틀림 없는 밴드 위상과 나선힘 대칭성 붕괴로 인해 이 관측된 전하 질서는 위상적 전하 질서로 식별되었다.
• 위상적 전하 질서는 비정상 초전도성의 전구로 제안되었으며, 거대한 비정상 홀 효과를 유도할 수 있다.
• 이론적 분석은 전하 질서가 카고메 격자 내 강한 전자 상호작용과 도전성에 기인함을 확인하였다.