[논문 리뷰] Nanoscale visualization and spectral fingerprints of the charge order in ScV6Sn6 distinct from other kagome metals

Siyu Cheng, Zheng Ren외 24명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 23.

Topological Materials and Phenomena인용 수 14

한 줄 요약

본 논문은 주사터널링 현미경/분광(STM/STS)과 각도분해광전자방출 분광법(ARPES)을 이용해 ScV6Sn6의 벌크 전하밀도파(CDW)를 특징화하고, 더 작게 약 20 meV의 부분갭과 회전대칭 파손 없이 표면에 국한된 변조를 나타내며, 이는 다른 카고메 CDWs와 구별된다고 제시한다.

ABSTRACT

Charge density waves (CDWs) have been tied to a number of unusual phenomena in kagome metals, including rotation symmetry breaking, time-reversal symmetry breaking and superconductivity. The majority of the experiments thus far have focused on the CDW states in AV3Sb5 and FeGe, characterized by the 2a0 by 2a0 period. Recently, a bulk CDW phase (T* ~ 92 K) with a different wave length and orientation has been reported in ScV6Sn6, as the first realization of a CDW state in the broad RM6X6 structure. Here, using a combination of scanning tunneling microscopy/spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, we reveal the microscopic structure and the spectroscopic signatures of this charge ordering phase in ScV6Sn6. Differential conductance dI/dV spectra show a partial gap opening in the density-of-states of about 20 meV at the Fermi level. This is much smaller than the spectral gaps observed in AV3Sb5 and FeGe despite the comparable T* temperatures in these systems, suggesting substantially weaker coupling strength in ScV6Sn6. Surprisingly, despite the three-dimensional bulk nature of the charge order, we find that the charge modulation is only observed on the kagome termination. Temperature-dependent band structure evolution suggests a modulation of the surface states as a consequence of the emergent charge order, with an abrupt spectral weight shift below T* consistent with the first-order phase transition. The similarity of the electronic band structures of ScV6Sn6 and TbV6Sn6 (where charge ordering is absent), together with the first-principle calculations, suggests that charge ordering in ScV6Sn6 may not be primarily electronically driven. Interestingly, in contrast to the CDW state of cousin AV3Sb5, we find no evidence supporting rotation symmetry breaking. Our results reveal a distinctive nature of the charge ordering phase in ScV6Sn6 in comparison to other kagome metals.

연구 동기 및 목표

• AV3Sb5와 FeGe를 넘어 RM6X6 카고메 계열에서 ScV6Sn6의 전하 주문 연구를 촉진한다.
• ScV6Sn6 CDW의 미세한 구조와 스펙트로스코피적 서명을 특징화한다.
• 관련 카고메 물질과 ScV6Sn6 CDW를 비교해 구동 메커니즘과 대칭 특성을 평가한다.

제안 방법

• 나노스케일에서 실공간 전하 변조를 시각화하기 위해 주사터널링 현미경/분광(STM/STS)을 결합한다.
• 국부상태밀도(LDOS)를 탐지하고 부분갭 특징을 확인하기 위해 미분전도도 dI/dV 측정을 사용한다.
• 온도 의존 밴드 구조의 변화를 추적하기 위해 각도분해광전자방출 분광법(ARPES)을 적용한다.
• 전하 주문이 있는 경우와 없는 경우의 전자구조를 비교하기 위해 퍼스트프린시플(First-principles) 계산을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ScV6Sn6에서 전하 주문상 태의 미세한 구조는 무엇인가?
• RQ2 전하 주문의 스펙트로스코피적 시그니처는 무엇이며 부분갭은 온도에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ3 대칭 및 구동 메커니즘 측면에서 ScV6Sn6 CDW는 다른 카고메 금속의 CDW와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 페르미 준위에서 약 20 meV의 부분갭이 dI/dV 스펙트럼에서 관찰된다.
• 3D 벌크 특성에도 불구하고 카고메 종단에서만 전하 변조가 검출된다.
• 온도 의존 밴드 구조 전개는 표면상태 변조와 T* 아래에서의 급격한 스펙트럴 가중치 이동을 보이며 1차 상전이의 징후를 나타낸다.
• ScV6Sn6의 밴드 구조는 전하 주문이 없는 TbV6Sn6와 유사하며, 전하 주문이 기본적으로 전자적으로 주도되지는 않을 수 있음을 시사한다.
• 회전 대칭성 파손의 증거가 발견되지 않아 ScV6Sn6를 AV3Sb5 CDW 거동과 구별한다.