[논문 리뷰] Emergence of new van Hove singularities in the charge density wave state of a topological kagome metal RbV3Sb5

Soohyun Cho, Haiyang Ma외 12명|PubMed|2021. 05. 11.

Topological Materials and Phenomena인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 각도분석광전자분광법과 밀도함수이론 기반의 첫 번째 원리 계산을 통해, 위상적 카그롬 금속 RbV₃Sb₅에서 전하 밀도파(CDW) 전이가 에너지 준위 근처에 새로운 반바나흐 특이점을 유도함을 입증한다. 이 특이점은 정상 상태에서는 존재하지 않으며, 밀도 상태의 상당한 증가와 관련되어 있다. 이러한 새로운 특이점은 낮은 온도에서 초전도성의 발생과 연결되어 있으며, 카그롬 구조에서 CDW 및 초전도 주기의 핵심 미시적 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Quantum materials with layered kagome structures have drawn considerable attention due to their unique lattice geometry, which gives rise to flat bands together with Dirac-like dispersions. Recently, vanadium-based materials with layered kagome structures were discovered to be topological metals, which exhibit charge density wave (CDW) properties, significant anomalous Hall effect, and unusual superconductivity at low temperatures. Here, we employ angle-resolved photoemission spectroscopy to investigate the electronic structure evolution upon the CDW transition in a vanadium-based kagome material RbV_{3}Sb_{5}. The CDW phase transition gives rise to a partial energy gap opening at the boundary of the Brillouin zone and, most importantly, the emergence of new van Hove singularities associated with large density of states, which are absent in the normal phase and might be related to the superconductivity observed at lower temperatures. Our work sheds light on the microscopic mechanisms for the formation of the CDW and superconducting states in these topological kagome metals.

연구 동기 및 목표

• 위상적 카그롬 금속 RbV₃Sb₅에서 전하 밀도파(CDW) 전이에 의해 유도되는 전자 구조의 변화를 조사한다.
• CDW 상태에서의 밴드 재정규화 및 새로운 전자 구조적 특징의 기원을 규명한다.
• CDW 상태에서 새로운 반바나흐 특이점이 나타나는지 확인하고, 그 잠재적 역할을 초전도성과 연관지어 본다.
• Fermi 표면 전하 변동과 연속된 소프트 모드를 통해 CDW 형성의 미시적 메커니즘을 밝힌다.

제안 방법

• 고해상도 각도분석광전자분광법(ARPES)은 상해연구소(SSRF)의 03U 및 13U 비임계선과 나노과학연구소(NSRL)에서 수행되어, 분리된 RbV₃Sb₅ 단일결정의 전자 구조를 탐측하였다.
• 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산은 VASP를 사용하여 수행되었으며, PBE 함수형과 프rojector-augmented wave 잠재력을 포함하고, 스핀-오비트 결합 효과도 고려했다.
• DFT 계산에서 CDW 상태를 모델링하기 위해 2×2 역별도스터드( inverse star-of-David, ISD) 초세포를 사용하여 관측된 밴드 재정규화를 재현하였다.
• 음향 스펙트럼은 밀도함수의 변동 이론(DFPT)을 이용한 PHONOPY 소프트웨어를 통해 계산되어 CDW 형성과 관련된 소프트 모드를 식별하였다.
• Wannier 보간된 밴드에서 유도된 공동 밀도 상태(DOS)를 계산하여, Fermi 수준 근처에서 궤도 및 밴드 기여의 역할을 분석하였다.
• 인접한 안장점들을 연결하는 波벡터에서 Fermi 표면 전하 변동을 분석하여 CDW 전이를 이끄는 불안정성의 기원을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RbV₃Sb₅의 CDW 상태에서 정상 상태에 존재하지 않는 새로운 반바나흐 특이점이 나타나는가?
• RQ2 CDW 전이가 RbV₃Sb₅에서 밴드 분산과 Fermi 표면 기하학적 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이 카그롬 금속 시스템에서 CDW 불안정성의 미시적 기원은 무엇인가?
• RQ4 새로 형성된 반바나흐 특이점은 낮은 온도에서 초전도성이 나타나는 것과 어떻게 연관되는가?
• RQ5 ISD 초구조를 기반으로 한 첫 번째 원리 계산이 CDW 상태에서 관측된 ARPES 특징을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• CDW 상태에서 Fermi 수준 근처에 부분적인 에너지 갭이 열리며, 이는 전하 정렬 상태의 형성과 일치한다.
• CDW 상태에서 K 및 M 점 근처에서 뚜렷한 밴드 재정규화가 관측되어 강한 전자 상호작용을 시사한다.
• CDW 상태에서 Fermi 수준 근처에 새로운 반바나흐 특이점이 나타나며, 이는 정상 상태에서는 존재하지 않으며 밀도 상태의 급격한 증가와 관련되어 있다.
• 이러한 특이점의 발생은 2×2 역별도스터드 초세포를 사용한 첫 번째 원리 계산에 의해 완전히 재현된다.
• 인접한 안장점들을 연결하는 波벡터에서의 Fermi 표면 전하 변동이 소프트 격자 모드와 상호작용하여 CDW 전이를 유도한다.
• 새로 형성된 반바나흐 특이점으로 인해 Fermi 수준 근처에서 증가한 밀도 상태는 낮은 온도에서 관측된 초전도성의 미시적 기원이 될 수 있다.