[논문 리뷰] Orbital ordering and fluctuations in a kagome superconductor CsV3Sb5

D. W. Song, L. X. Zheng외 17명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 19.

Topological Materials and Phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 카고메 초전도체 CsV3Sb5에서 전자적 불안정성을 조사하기 위해 51V 및 133Cs 핵자기공명(NMR)을 사용한다. 이는 궤도 순서에 의해 유도되는 약 94 K에서의 1차 구조 전이를 드러내며, 전하 밀도파(CDW) 순서는 후행적으로 나타난다. 결과는 바나디움 3d 오비탈의 자화 불안정성을 궤도 순서가 억제함을 보여주며, 이는 위상적으로 비비틀린 초전도체에서 궤도 순서와 CDW 물리학 간의 복잡한 상호작용을 드러낸다.

ABSTRACT

Recently, competing electronic instabilities, including superconductivity and density-wave-like order, have been discovered in vanadium-based kagome metals AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) with a nontrivial band topology. This finding stimulates wide interests to study the interplay of these competing electronic orders and possible exotic excitations in the superconducting state. Here, in order to further clarify the nature of density-wave-like transition in these kagome superconductors, we performed 51V and 133Cs nuclear magnetic resonance (NMR) measurements on the CsV3Sb5 single crystal. A first-order phase transition associated with orbital ordering is revealed by observing a sudden splitting of orbital shift in 51V NMR spectrum at the structural transition temperature Ts ~ 94 K. In contrast, the quadrupole splitting from a charge-density-wave (CDW) order on 51V NMR spectrum only appears gradually below Ts with a typical second-order transition behavior, suggesting that the CDW order is a secondary electronic order. Moreover, combined with 133Cs NMR spectrum, the present result also confirms a three-dimensional structural modulation with a 2ax2ax2c period. Above Ts, the temperature-dependent Knight shift and nuclear spin-lattice relaxation rate (1/T1) further indicate the existence of remarkable magnetic fluctuations from vanadium 3d orbitals, which are suppressed due to orbital ordering below Ts. The present results strongly support that, besides CDW order, the previously claimed density-wave-like transition also involves a dominant orbital order, suggesting a rich orbital physics in these kagome superconductors.

연구 동기 및 목표

• 카고메 초전도체 CsV3Sb5에서의 밀도파 유사 전이의 성격을 명확히 하기 위해.
• 주요 전자적 불안정성으로서 궤도 순서와 전하 밀도파(CDW) 순서를 구분하기 위해.
• 전이 온도 이상에서 바나디움 3d 오비탈 진동의 역할을 조사하기 위해.
• CsV3Sb5에서의 구조 조임의 차원성과 주기성을 규명하기 위해.
• 경쟁하는 전자적 순서 간의 상호작용과 초전도성에 미치는 영향을 이해하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 CsV3Sb5에서 정교화된 51V 및 133Cs 핵자기공명(NMR) 측정.
• 자기적 불안정성을 탐색하기 위해 온도 의존성 커니트 시프트 및 스핀-격자 리아소르션률(1/T1)을 분석.
• 51V NMR의 스펙트럼 분열을 분석하여 궤도 및 CDW 순서 매개변수를 규명.
• 이중극 모멘트 분열 분석을 통해 1차 전이(궤도)와 2차 전이(CDW)를 구별.
• 133Cs NMR 데이터를 통합하여 3차원적 2a×2a×2c 구조 조임을 확인.
• 처음부터 원리 계산 및 대칭 분석을 적용하여 NMR 데이터를 궤도 및 전하 순서 관점에서 해석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5에서 약 94 K에서의 밀도파 유사 전이의 성격은 무엇인가요?
• RQ2 이 전이는 주로 궤도 순서에 의해 유도되는가, 아니면 전하 밀도파(CDW) 순서에 의해 유도되는가요?
• RQ3 바나디움 3d 오비탈 진동은 전이 온도를 넘어서 어떻게 변화하는가요?
• RQ4 CsV3Sb5에서의 구조 조임의 차원성과 주기성은 무엇인가요?
• RQ5 궤도 순서와 CDW 순서는 카고메 격자에서 어떻게 공존하며 상호작용하는가요?

주요 결과

• 51V NMR 스펙트럼의 급격한 분열을 통해 Ts ≈ 94 K에서 1차 상전이가 확인되며, 이는 궤도 순서를 시사한다.
• CDW 순서는 Ts 이하에서 점진적으로 발현되며, 2차 전이 행동과 일치한다.
• 133Cs NMR 스펙트럼은 구조 조임의 3차원적 2a×2a×2c 주기성을 확인한다.
• Ts 이상에서는 온도 의존성 커니트 시프트 및 1/T1이 바나디움 3d 오비탈에서 강한 자화 불안정성을 드러낸다.
• 이 자화 불안정성은 궤도 순서로 인해 Ts 이하에서 억제되며, 궤도 순서와 스핀 역학 간의 강한 상관관계를 나타낸다.
• 결과는 밀도파 유사 전이가 주로 궤도 순서에 의해 결정되며, CDW는 보조적 불안정성임을 입증하며, 카고메 초전도체에서 풍부한 궤도 물리학을 강조한다.