[논문 리뷰] Nature of charge density wave in kagome metal ScV6Sn6

Seongyong Lee, Choongjae Won외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 24.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 캉코메 금속 ScV6Sn6에서 전하 밀도파(CDW) 형성의 새로운 메커니즘을 규명하며, 전통적인 AV3Sb5 시스템과는 다릅니다. 각도 분 giải 광전자 방사 분석, 진동수 계산 및 Cr 도핑을 통해, 3차원적인 Sn에 의해 지배되는 밴드가 260 meV의 갭을 형성함으로써 루트3×루트3 CDW를 이끌고 있으며, 전자적 네스팅과 반데 호프 특이점은 미미한 역할을 한다고 밝혀져, 캉코메 물질에서 CDW가 구조적 원인에 기인함을 규명합니다.

ABSTRACT

Kagome lattice materials offer a fertile ground to discover novel quantum phases of matter, ranging from unconventional superconductivity and quantum spin liquids to charge orders of various profiles. However, understanding the genuine origin of the quantum phases in kagome materials is often challenging, owing to the intertwined atomic, electronic, and structural degrees of freedom. Here, we combine angle-resolved photoemission spectroscopy, phonon mode calculation, and chemical doping to elucidate the driving mechanism of the root3*root3 charge order in a newly discovered kagome metal ScV6Sn6. In contrast to the case of the archetype kagome system AV3Sb5 (A= K, Rb, Cs), the van Hove singularities in ScV6Sn6 remain intact across the charge order transition, indicating a marginal role of the electronic instability from the V kagome lattice. Instead, we identified a three-dimensional band with dominant planar Sn character opening a large charge order gap of 260 meV and strongly reconstructing the Fermi surface. Our complementary phonon dispersion calculations further emphasize the role of the structural components other than the V kagome lattice by revealing the unstable planar Sn and Sc phonon modes associated to the root3*root3 phase. Finally, in the constructed phase diagram of Sc(V1-xCrx)6Sn6, the charge order remains robust in a wide doping range x = 0 ~ 0.10 against the Fermi level shift up to ~ 120 meV, further making the electronic scenarios such as Fermi surface or saddle point nesting unlikely. Our multimodal investigations demonstrate that the physics of ScV6Sn6 is fundamentally different from the canonical kagome metal AV3Sb5, uncovering a new mechanism to induce symmetry-breaking phase transition in kagome lattice materials.

연구 동기 및 목표

• 최근 발견된 캉코메 금속 ScV6Sn6에서 루트3×루트3 전하 밀도파(CDW)의 미세한 기원을 규명하는 것.
• V 캉코메 격자에서 기인하는 전자적 불안정성과 구조적 자유도 중 어느 것이 CDW 전이를 지배하는지 규명하는 것.
• 화학 도핑에 의한 피에르 수준 조절을 통해 CDW 상의 안정성을 시험하는 것.
• 잘 알려진 AV3Sb5 계열과의 CDW 메커니즘을 비교하여 근본적인 차이점을 규명하는 것.

제안 방법

• CDW 전이 동안 전자 구조를 맵핑하고 피에르 표면 재구성의 변화를 추적하기 위해 각도 분해 광전자 방사 분석(ARPES)을 수행.
• Sn 및 Sc 평면에서의 구조적 불안정성과 관련된 연약한 모드를 식별하기 위해 진동수 분산 계산을 수행.
• Sc(V1−xCrx)6Sn6에서 V 위치에 Cr을 도핑하여 피에르 수준을 최대 120 meV까지 조절하고 CDW 안정성을 탐색.
• 반데 호프 특이점과 피에르 표면 네스팅의 역할을 평가하기 위해 분석 수행.
• 다중 모달 실험 및 계산 기법을 사용하여 전자적 기여와 구조적 기여를 비교.
• Sc(V1−xCrx)6Sn6의 상도를 구축하여 도핑 조건에서 CDW 상의 안정성을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ScV6Sn6에서 루트3×루트3 전하 밀도파의 주요 전자적 또는 구조적 기원은 무엇이며, AV3Sb5와 어떻게 다릅니까?
• RQ2 V 캉코메 밴드의 반데 호프 특이점이 ScV6Sn6에서 CDW 불안정성에 기여하는 정도는 어느 정도입니까?
• RQ3 CDW 전이 동안 피에르 표면은 어떻게 변화하며, 네스팅이 주요 원동력인가요?
• RQ4 특히 Sn과 Sc에 관여하는 진동 모드는 CDW를 안정화시키는 데 어떤 역할을 합니까?
• RQ5 Cr 도핑에 의해 유도되는 피에르 수준 이동에 대해 CDW 상은 어느 정도 견고합니까?

주요 결과

• V 캉코메 밴드의 반데 호프 특이점은 CDW 전이 동안 거의 변화하지 않아, V 격자의 전자적 불안정성이 미미한 역할을 한다고 나타납니다.
• 주로 평면상의 Sn에 의해 지배되는 3차원 밴드가 260 meV의 큰 전하 오더 갭을 형성하며, 이는 피에르 표면을 강하게 재구성합니다.
• 진동수 분산 계산 결과, 평면상의 Sn과 Sc 원자에 관여하는 불안정한 모드가 확인되어, CDW가 V 캉코메 격자 외의 구조적 변형과 관련이 있음을 규명합니다.
• CDW 상은 넓은 도핑 범위(x = 0에서 0.10) 동안 유지되며, 피에르 수준 이동이 최대 120 meV일지라도 안정성을 유지하여, 피에르 표면 또는 안장점 네스팅이 주요 원동력임을 배제합니다.
• ScV6Sn6의 CDW는 AV3Sb5와 근본적으로 다릅니다. V 밴드 네스팅이 아닌, Sn과 Sc의 구조적 자유도와 그들의 격자 동역학이 주요 기여를 합니다.
• 이 연구 결과는 캉코메 물질에서 CDW 형성의 새로운 범주를 제시하며, 비-캉코메 위치 원자의 역할과 그들의 격자 동역학의 중요성을 강조합니다.