[논문 리뷰] Spatial symmetry constraint of charge-ordered kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Haoxiang Li, Yu-Xiao Jiang외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 08.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 X선 회절, STM, STEM을 사용하여 카고메 초전도체 CsV₃Sb₅에서 관찰된 4a₀ 초구조가 부피 특성이라기보다 표면 전용 현상임을 보여준다. 핵심 발견은 부피 2×2×2 전하 밀도파(CDW) 순서가 회전 대칭성을 C₂로 깨뜨려 부피의 네마틱성과 관측된 표면 초격자 구조를 유도하며, 이는 기현된 전자 순서에 대한 중요한 공간 대칭 제약 조건을 부여한다.

ABSTRACT

Elucidating the symmetry of intertwined orders in exotic superconductors is at the quantum frontier. Recent surface sensitive studies of the topological kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ discovered a cascade 4a$_0$ superlattice below the charge density wave (CDW) ordering temperature, which can be related to the pair density modulations in the superconducting state. If the 4a$_0$ phase is a bulk and intrinsic property of the kagome lattice, this would form a striking analogy to the stripe order and pair density wave discovered in the cuprate high-temperature superconductors, and the cascade ordering found in twisted bilayer graphene. High-resolution X-ray diffraction has recently been established as an ultra-sensitive probe for bulk translational symmetry-breaking orders, even for short-range orders at the diffusive limit. Here, combining high-resolution X-ray diffraction, scanning tunneling microscopy and scanning transmission electron microscopy, we demonstrate that the 4a$_0$ superstructure emerges uniquely on the surface and hence exclude the 4a$_0$ phase as the origin of any bulk transport or spectroscopic anomaly. Crucially, we show that our detected 2$ imes$2$ imes$2 CDW order breaks the bulk rotational symmetry to C2, which can be the driver for the bulk nematic orders and nematic surface superlattices including the 4a$_0$ phase. Our high-resolution data impose decisive spatial symmetry constraints on emergent electronic orders in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$.

연구 동기 및 목표

• CsV₃Sb₅에서 관측된 4a₀ 초구조가 부피 현상인지 표면 현상인지 규명하는 것.
• 이 카고메 초전도체에서 기현된 전자 순서를 지배하는 공간 대칭 붕괴의 근본 원인을 규명하는 것.
• 연쇄적인 4a₀ 초격자 구조의 기원과 부피 전도성 및 분광 이질성과의 관계를 규명하는 것.
• 고해상도 X선 회절이 양자 물질에서 부피의 이동 대칭 붕괴 순서를 민감하게 탐지할 수 있음을 확립하는 것.

제안 방법

• 고해상도 X선 회절을 사용하여 산란 한계 조건에서도 부피의 이동 대칭 붕괴를 탐지하였다.
• 스캐닝 턨널링 현미경(STM)을 사용하여 표면 전자 구조를 영상화하고 4a₀ 초격자를 탐지하였다.
• 스캐닝 투과 전자현미경(STEM)을 통해 표면 및 근표면 영역의 원자 척도 구조적 특성을 제공하였다.
• 이러한 기법의 조합을 통해 표면과 부피의 전자적 및 구조적 성질을 직접 비교할 수 있었다.
• 관측된 CDW 순서의 대칭성 분석을 수행하여 부피에서 유지되는 점군 대칭성을 규명하였다.
• 실험 데이터를 바탕으로 이론 모델링을 수행하여 C₂ 대칭 붕괴 CDW가 네마틱 순서의 기원과 어떻게 연결되는지 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅에서 4a₀ 초구조는 부피 현상인지 표면 현상인지?
• RQ2 CsV₃Sb₅의 부피 전하 밀도파 순서의 공간 대칭은 무엇인가?
• RQ3 부피 CDW 순서는 네마틱성과 표면 초격자 구조의 기원과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 고해상도 X선 회절은 양자 물질에서 국소적 이동 대칭 붕괴 순서를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 2×2×2 CDW는 관측된 4a₀ 표면 초격자 구조의 기원으로서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CsV₃Sb₅에서의 4a₀ 초구조는 표면 전용 현상이며 부피에서는 존재하지 않는다.
• 부피 2×2×2 전하 밀도파 순서는 회전 대칭성을 C₂로 깨뜨려 명확한 공간 대칭 제약 조건을 설정한다.
• 이 C₂ 대칭 붕괴 CDW는 물질 내에서 부피 네마틱 순서의 주요 원인으로 여겨진다.
• 표면의 4a₀ 초격자는 부피 네마틱 순서에 의해 유도되며, 자체로 부피 상이 아니다.
• 고해상도 X선 회절을 통해 부피 CDW 순서를 성공적으로 탐지하여 그 역할이 대칭 붕괴에 기여함을 확인하였다.
• 이 연구는 4a₀ 상이 부피 전도성 또는 분광 이질성의 기원이 아니라고 배제하였다.