[논문 리뷰] Multiple Energy Scales and Anisotropic Energy Gap in the Charge-Density-Wave Phase of Kagome Superconductor CsV3Sb5

K. Nakayama, Yongkai Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 16.

Topological Materials and Phenomena인용 수 29

한 줄 요약

본 연구는 고해상도 ARPES를 이용해 SOC로 유도된 디랙 갭과 CsV3Sb5 카고메 초전도체에서 강하게 이방성적이고 다중 스케일의 CDW 갭을 밝혀내며, saddle-point, Dirac, Γ/AP 전자 포켓 밴드에서 서로 다른 갭이 존재한다.

ABSTRACT

Kagome metals AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs) exhibit superconductivity at 0.9-2.5 K and charge-density wave (CDW) at 78-103 K. Key electronic states associated with the CDW and superconductivity remain elusive. Here, we investigate low-energy excitations of CsV3Sb5 by angle-resolved photoemission spectroscopy. We found an energy gap of 70-100 meV at the Dirac-crossing points of linearly dispersive bands, pointing to an importance of spin-orbit coupling. We also found a signature of strongly Fermi-surface and momentum-dependent CDW gap characterized by the larger energy gap of maximally 70 meV for a band forming a saddle point around the M point, the smaller (0-18 meV) gap for a band forming massive Dirac cones, and a zero gap at the Gamma-centered electron pocket. The observed highly anisotropic CDW gap which is enhanced around the M point signifies an importance of scattering channel connecting the saddle points, laying foundation for understanding the nature of CDW and superconductivity in AV3Sb5.

연구 동기 및 목표

• CsV3Sb5에서 CDW와 초전도성과 관련된 저에너지 전자 상태를 식별한다.
• 밴드 구조에서 SOC로 유도된 Dirac 포인트의 갭을 특징지어진다.
• 2D 브라이언 존에서 CDW 갭의 모멘텀 의존성과 밴드 의존성을 매핑한다.
• 관찰된 CDW 갭을 페어리듣 표면 특징 및 잠재적 산란 채널과 연관지어 해석한다.

제안 방법

• 온도 TCDW 이상 및 이하의 CsV3Sb5 단결정에 대해 고해상도 ARPES를 수행한다.
• 빛의 양자 에너지를 달리하여 다른 kz 슬라이스를 탐색하고 bulk와 surface 특징을 구분한다.
• SOC를 포함한 first-principles 계산과 실험 밴드 분산을 비교한다.
• 에너지 갭을 특정 kF 포인트에서 식별하기 위해 EDCs 및 symmetrized EDCs를 추출한다.
• θ(각도)에 따른 모멘텀 의존성으로 CDW 갭을 분석하고 saddle-point, Dirac, Γ/AP 포켓에 갭을 할당한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5에서 SOC로 인한 Dirac 포인트에서의 에너지 갭은 얼마인가?
• RQ2 CDW 갭이 페르미 표면 전반 및 모멘텀(k) 의존성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 어떤 밴드들(saddle-point, Dirac, Γ/AP 전자 포켓)이 CDW에 관여하며 그 크기는 무엇인가?
• RQ4 3D 구성요소의 CDW 증거가 있는가, 그리고 kz 의존성과 어떤 연관이 있는가?

주요 결과

• Dirac 교차 지점은 SOC에 기인한 50–70 meV의 에너지 갭을 보인다.
• CDW 갭은 모멘텀에 강하게 의존하며 다중 에너지 스케일을 가지는데: saddle-point 밴드는 최대 ~70 meV, Dirac 밴드는 0–18 meV, Γ/AP 전자 포켓은 갭 없음.
• saddle-point kF 포인트의 EDC에서 약 70 meV의 hump은 saddle-point 밴드에서 CDW 갭이 열렸음을 나타낸다.
• Dirac 밴드의 갭(일부 포인트에서 ~16 meV)은 이방적이며 특정 방향(ΓK/AL 선)으로는 소멸할 수 있다.
• Γ/AP 전자 포켓에서 CDW 갭은 측정된 절단에서 전혀 나타나지 않는다.
• 이방성은 saddle-point와 Dirac 밴드 모두에서 θ ≈ 0°(ΓM/AL) 근처에서 최대 갭, θ ≈ ±30°(ΓK/AH) 근처에서 최소 갭으로 나타난다.
• STM/STS 및 광분광학 서명(넓은 hump ~70 meV, V자형 DOS, Drude weight 감소)은 ARPES에서 관찰된 CDW 스케일과 일치한다.
• 데이터는 saddle points 간의 inter-band 산란(Q=(π,0))이 CDW의 주요 에너지 이득 메커니즘임을 지지한다.
• 3D CDW 구성요소(2×2×2)가 남아있으며 더 많은 kz 선택 연구가 필요할 수 있다.
• 결과는 초전도성이 주로 갭이 큰 saddle-point 밴드와 Dirac 밴드의 CDW 갭 노드에 의해 영향을 받을 수 있음을 시사한다.