[논문 리뷰] Electronic nematicity without charge density waves in titanium-based kagome metal

Hong Li, Siyu Cheng외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 29.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 분광 영상 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여, 카고메 금속 CsTi3Bi5에서 전하 밀도파 순서 없이 전자적 네미티시티(회전 대칭의 자발적 붕괴)가 존재함을 밝혀냈다. 이 네미티시티는 평면 및 수직 방향의 투티늄 d 오비탈에 기인한 이방성 전자 상관관계에서 기인하며, 철계 초전도체에서 관찰되는 네미티시티 결합 순서의 육각형 유사체로 제안된다.

ABSTRACT

Layered crystalline materials that consist of transition metal atoms on a kagome network have emerged as a versatile platform to study unusual electronic phenomena. For example, in the vanadium-based kagome superconductors AV3Sb5 (where A can stand for K, Cs, or Rb) there is a parent charge density wave phase that appears to simultaneously break both the translational and the rotational symmetry of the lattice. Here, we show a contrasting situation where electronic nematic order - the breaking of rotational symmetry without the breaking of translational symmetry - can occur without a corresponding charge density wave. We use spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy to study the kagome metal CsTi3Bi5 that is isostructural to AV3Sb5 but with a titanium atom kagome network. CsTi3Bi5 does not exhibit any detectable charge density wave state, but comparison to density functional theory calculations reveals substantial electronic correlation effects at low energies. Comparing the amplitudes of scattering wave vectors along different directions, we discover an electronic anisotropy that breaks the six-fold symmetry of the lattice, arising from both in-plane and out-of-plane titanium-derived d orbitals. Our work uncovers the role of electronic orbitals in CsTi3Bi5, suggestive of a hexagonal analogue of the nematic bond order in Fe-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• AV3Sb5와 동일한 구조를 가지지만 비스무트에 비해 티타늄을 포함하는 카고메 금속 CsTi3Bi5의 전자적 질서를 조사하기 위해.
• CsTi3Bi5에서 전하 밀도파(CDW) 순서가 전자적 네미티시티와 공존하는지 여부를 규명하기 위해.
• CDW 형성이 없는 상황에서 전자 상관관계와 오비탈 기여가 네미티시티 순서를 어떻게 이끄는지 이해하기 위해.
• 티타늄 유래 d 오비탈을 갖는 카고메 격자에서의 육중성 대칭 붕괴의 기원을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 원자 스케일에서 국소 전자 구조와 대칭 붕괴를 탐사하기 위해 분광 영상 스캐닝 터널링 현미경(SI-STM)을 활용하였다.
• 다양한 결정학적 방향을 따라 스캐닝 터널링 스펙트럼과 波벡터 진폭을 비교하여 이방성의 존재를 탐지하였다.
• 전자 밴드 구조 분 析 및 티타늄 3d 오비탈의 역할을 규명하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 실공간 및 운동량 공간에서의 산란 파동벡터 분석을 통해 네미티시티 순서 매개변수를 정량화하였다.
• 대칭 분석을 통해 네미티시티 순서(회전 대칭 붕괴)와 CDW 순서(이동 대칭 붕괴)를 구별하였다.
• 관측된 전자 이방성과 티타늄 네트워크에서 평면 및 수직 방향의 d 오비탈 기여를 연관시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하 밀도파 순서가 존재하지 않는 조건에서 CsTi3Bi5에서 전자적 네미티시티 순서가 존재하는가?
• RQ2 CsTi3Bi5의 전자 구조에서 관측된 육중성 대칭 붕괴의 기원은 무엇인가?
• RQ3 평면 및 수직 방향의 티타늄 3d 오비탈은 네미티시티 순서 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 전자 상관관계가 이 카고메 금속에서 관측된 네미티시티 상태를 얼마나 강하게 이끄는가?
• RQ5 CsTi3Bi5의 네미티시티 순서는 철계 초전도체에서 관찰되는 네미티시티 결합 순서와 유사한가?

주요 결과

• 강한 전자 상관관계가 존재하는 바에도 불구하고, CsTi3Bi5에서 감지 가능한 전하 밀도파(CDW) 순서는 관측되지 않았다.
• SI-STM 측정을 통해 카고메 격자의 육중성 대칭을 붕괴시키는 명확한 전자 이방성이 확인되었다.
• 네미티시티 순서는 DFT 계산을 통해 확인된 바, 평면 및 수직 방향의 티타늄 기반 d 오비탈의 조합에서 기인한다.
• 다양한 결정학적 방향을 따라 측정된 산란 파동벡터의 진폭은 육중성 대칭 붕괴 패tern을 보였다.
• 관측된 네미티시티는 격자 변형이나 CDW 형성에 의해 유도된 것이 아니라, 티타늄 3d 밴드의 전자 상관관계에 기인한다.
• 결과는 CDW 공존 없이도 철계 초전도체에서 관찰되는 네미티시티 결합 순서의 육각형 유사체로 제안된다.