[논문 리뷰] Fermi surface mapping and the nature of charge density wave order in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Brenden R. Ortiz, Samuel M. L. Teicher외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 15.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 32인용 수 89

한 줄 요약

본 연구는 양자 진동, DFT, 회절을 이용해 CDW에 의한 CsV3Sb5의 페르미 표면 재구성을 보여주고, 바나듐 지배의 디랙-유사 포켓과 SoD/TrH 왜곡이 있는 2×2×4 CDW를 식별한다.

ABSTRACT

The recently discovered family of AV$_3$Sb$_5$ (A: K, Rb Cs) kagome metals possess a unique combination of nontrivial band topology, superconducting ground states, and signatures of electron correlations manifest via competing charge density wave order. Little is understood regarding the nature of the charge density wave (CDW) instability inherent to these compounds and the potential correlation with the accompanying onset of a large anomalous Hall response. To understand the impact of the CDW order on the electronic structure in these systems, we present quantum oscillation measurements on single crystals of CsV$_3$Sb$_5$. Our data provides direct evidence that the CDW invokes a substantial reconstruction of the Fermi surface pockets associated with the vanadium orbitals and the kagome lattice framework. In conjunction with density functional theory modeling, we are able to identify split oscillation frequencies originating from reconstructed pockets built from vanadium orbitals and Dirac-like bands. Complementary diffraction measurements are further able to demonstrate that the CDW instability has a correlated phasing between neighboring V$_3$Sb$_5$ planes. These results provide critical insights into the underlying CDW instability in AV$_3$Sb$_5$ kagome metals and support minimal models of CDW order arising from within the vanadium-based kagome lattice.

연구 동기 및 목표

• CsV3Sb5의 전자 구조에 미치는 전하 밀도 파동(CDW) 질서의 영향을 조사한다.
• CDW의 차원적 특성과 3차원 적층 형상을 규명한다.
• 카고메 V 격자에서 CDW 형성을 주도하는 원자 오비트릭스와 격자 왜곡을 규명한다.

제안 방법

• CsV3Sb5 단결정에서 Shubnikov–de Haas 양자 진동 측정을 수행하여 다중 페르미면 포켓을 해상도화한다.
• SoD 및 TrH 모티프에 대한 왜곡된 구조와 unfolded 페르미 면을 계산하기 위해 PBE-D3, 스핀-궤도 커플링, Wannier90를 사용한다.
• 수퍼셀 밴드 구조를 unfolding하여 실험 진동수와 비교하고 Lifshitz-Kosevich 분석을 통해 사이클로트론 질량을 추출한다.
• 동위원성 싱크로나 X선 회절을 이용해 3D 초격자 피크를 매핑하고 P-3에서 CDW 구조를 정제하여 c축 페이싱을 드러낸다.
• CDW 전이에서 역전 대칭을 테스트하기 위해 2차조화 생성(second harmonic generation)을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDW 질서가 CsV3Sb5의 페르미 면에 미치는 영향, 특히 바나듐 유래 디랙-유사 밴드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CsV3Sb5의 CDW의 3차원적 특성과 적층 순서는 어떠한가?
• RQ3 CDW 상태에서 어떤 격자 왜곡(SoD 대 TrH)이 실현되며, 이것이 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실험에서 관찰된 CDW 유도 재구성을 간단한 kagome 기반의 타이트-바인딩 그림으로 포착할 수 있는가?

주요 결과

• CDW는 페르미 면을 재구성하며, 특히 M 포인트 주위의 바나듐 유래 디랙-유사 밴드 근처에서 재구성된 포켓이 형성된다.
• 저주파 양자 진동은 재구성된 바나듐 오비탈에서 기원하며 매우 작은 사이클로트론 질량을 갖고 디랙-유사 포켓과 일치한다.
• DFT와 unfolding은 SoD 및 TrH 왜곡이 CDW를 안정시키고 V–V 결합 길이 차이를 갖는 2×2×4 초구조를 생성함을 보여준다.
• 페르미 면 재구성은 일부 고주파 포켓을 보존하지만 왜곡(SoD 대 TrH)에 따라 다른 포켓을 부분적으로 차단한다.
• X선 회절은 3D CDW 위상을 (0.5,0.5,0.25) 파수 벡터로 시사하고; SHG는 CDW 시작 아래에서 역전 대칭이 여전히 유지됨을 보여준다.