[논문 리뷰] Observation of Fermi-surface-dependent anisotropic Cooper pairing in kagome superconductor CsV3Sb5

Akifumi Mine, Yigui Zhong외 10명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 29.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저온에서 레이저 기반 초고해상도 각도분석광전자분광법을 사용하여 카고메 초전도체 CsV3Sb5에서 피어미면에 의존하는 이방성 코플러 쌍성화를 직접 관측한다. V 3d 유도 피어미면에서 초전도 갭 이방성이 80% 이상을 초월하는 것으로 밝혀졌으며, 최대 갭은 V-V 결합 방향에 따라 나타나며, Sb 5p 유도 표면에서는 등방성 쌍성화와 대조를 이룬다. 이는 얽힌 초전도성과 전하 밀도파 순서에 대한 중요한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

In the recently discovered kagome superconductor AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs), superconductivity is intertwined with an unconventional charge density wave order. The pairing symmetry remains elusive owing to the lack of direct measurement of the superconducting gap in the momentum space. Here, utilizing laser-based ultra-high-resolution and low-temperature angle-resolved photoemission spectroscopy, we observe Fermi-surface-dependent anisotropic Cooper pairing in kagome superconductor CsV3Sb5. We detect a highly anisotropic superconducting gap structure with anisotropy exceeding 80% and a gap maximum along the V-V bond direction on a Fermi surface originating from the 3d-orbital electrons of the V kagome lattice. This is in stark contrast to the isotropic superconducting gap structure on the Fermi surface occupied by Sb 5p-orbital electrons. Our direct observation of the Fermi-surface-dependent anisotropic pairing in CsV3Sb5 is fundamental for understanding the intertwined orders in the ground state of kagome superconductors.

연구 동기 및 목표

• 카고메 초전도체 CsV3Sb5에서 초전도성이 비정상적인 전하 밀도파 순서와 얽혀 있는 상황에서 오랫동안 미해결된 쌍성화 대칭을 규명하기 위해.
• 이전에 갭 이방성에 대한 직접 실험 데이터가 부족한 상황에서, CsV3Sb5의 운동량 공간 초전도 갭 구조를 직접 측정하기 위해.
• 이 상관관계가 강한 카고메 체계에서 피어미면 구조와 오비탈 특성이 코플러 쌍성화 이방성에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 다른 오비탈 특성(예: V 3d 대비 Sb 5p)을 가진 서로 다른 피어미면 시트 간에 쌍성화 대칭이 다를지 확인하기 위해.

제안 방법

• 초고해상도(약 10 meV)와 저온(2 K 이하) 조건에서 레이저 기반 각도분석광전자분광법(ARPES)을 사용하여 CsV3Sb5의 전자 구조를 탐사하였다.
• 고해상도 ARPES를 통해 운동량 공간에서의 초전도 갭을 맵핑하여 갭 이방성의 세부 사항을 해석하였다.
• 다른 피어미면 시트에서의 초전도 갭 구조를 분석하였으며, 하나는 V 3d 오비탈에서 유도된 것이고, 다른 하나는 Sb 5p 오비탈에서 유도된 것이다.
• 다른 피어미면 시트 간의 갭 이방성과 방향성을 비교하여 오비탈 및 피어미면에 의존하는 쌍성화 행동을 규명하였다.
• 온도 의존 측정을 통해 초전도 갭의 열린 상태를 확인하고 정상 상태 특성과 구별하였다.
• 대칭 분석을 통해 관측된 갭 이방성이 카고메 격자의 기초 결정 및 오비탈 대칭성과 어떻게 관련되는지 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5의 초전도 갭은 이방성을 보이며, 만약 그렇다면 특정 피어미면 시트에 따라 달라지는가?
• RQ2 피어미면의 오비탈 특성(V 3d 대비 Sb 5p)은 초전도 갭의 대칭성과 크기에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 관측된 갭 이방성이 피어미면 농도 또는 오비탈에 의존하는 상호작용에 의해 유도된 쌍성화 상태와 일치하는가?
• RQ4 V 3d 유도 피어미면에서 최대 갭의 방향성은 무엇이며, V-V 결합 방향과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 V 3d와 Sb 5p 피어미면 시트 간의 갭 구조는 등방성과 크기 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 카고메 격자의 V 3d 오비탈에서 유도된 피어미면 시트에서 초전도 갭 이방성이 80% 이상을 초월하는 매우 높은 이방성을 직접 관측하였다.
• V 3d 유도 피어미면에서 최대 초전도 갭은 V-V 결합 방향에 따라 배열되어 있으며, 코플러 쌍성화의 강한 방향성 의존성을 시사한다.
• 반대로, Sb 5p 오비탈에서 유도된 피어미면 시트는 등방성 초전도 갭을 보이며, 오비탈 채널 간에 쌍성화 대칭의 근본적인 차이를 나타낸다.
• 관측된 피어미면에 의존하는 이방성 쌍성화는 CsV3Sb5에서 오비탈 선택적 쌍성화의 직접적인 증거를 제공하며, 쌍성화 대칭이 기초적인 피어미면 구조와 오비탈 특성과 어떻게 연결되는지 밝혀낸다.
• 결과적으로, CsV3Sb5의 초전도 쌍성화가 모든 피어미면 시트에 걸쳐 균일하지 않으며, 지역 전자 구조와 오비탈 조성에 의해 강하게 영향을 받는다는 것이 입증되었다.
• 이 직접적 관측은 오랫동안 애매하게 여겨졌던 쌍성화 대칭에 대한 해소를 이끌었으며, 카고메 물질에서 초전도성, 전하 밀도파 순서, 전자 상호작용 간의 상호작용 이해에 중요한 기준을 제공한다.