[논문 리뷰] Superconductivity and orbital-selective nematic order in a new titanium-based kagome metal CsTi3Bi5

Haitao Yang, Yuhan Ye외 18명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 22.

Topological Materials and Phenomena인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 초전도 전이 온도 Tc ≈ 4.8 K에서 초전도성을 나타내고, 명백한 궤도 선택적 나치즘 상태를 갖는 새로운 티타늄 기반 카고메 금속인 단일 결정 CsTi3Bi5의 합성을 보고한다. AV3Sb5 카고메 초전도체와는 달리, 이 물질은 이동 대칭성을 유지하지만 전자 나치즘 순서에 의해 회전 대칭성을 깨뜨리며, 주로 Ti의 dxz 및 dyz 궤도에 의해 주도됨을 각도 의존성 자화율 및 스캐닝 터널링 현미경에서의 준입자 간섭 무늬를 통해 확인하였다.

ABSTRACT

Fabrication of new types of superconductors with novel physical properties has always been a major thread in the research of superconducting materials. An example is the enormous interests generated by the cascade of correlated topological quantum states in the newly discovered vanadium-based kagome superconductors AV3Sb5 (A=K, Rb, and Cs) with a Z2 topological band structure. Here we report the successful fabrication of single-crystals of titanium-based kagome metal CsTi3Bi5 and the observation of superconductivity and electronic nematicity. The onset of the superconducting transition temperature Tc is around 4.8 K. In sharp contrast to the charge density wave superconductor AV3Sb5, we find that the kagome superconductor CsTi3Bi5 preserves translation symmetry, but breaks rotational symmetry and exhibits an electronic nematicity. The angular-dependent magnetoresistivity shows a remarkable two-fold rotational symmetry as the magnetic field rotates in the kagome plane. The scanning tunneling microscopy and spectroscopic imaging detect rotational-symmetry breaking C2 quasiparticle interference patterns (QPI) at low energies, providing further microscopic evidence for electronic nematicity. Combined with first-principle calculations, we find that the nematic QPI is orbital-selective and dominated by the Ti dxz and dyz orbitals, possibly originating from the intriguing orbital bond nematic order. Our findings in the new "135" material CsTi3Bi5 provide new directions for exploring the multi-orbital correlation effect and the role of orbital or bond order in the electron liquid crystal phases evidenced by the symmetry breaking states in kagome superconductors.

연구 동기 및 목표

• 고품질 단일 결정 CsTi3Bi5를 합성하여 그 전자적 성질을 연구하기 위해.
• 이 티타늄 기반 카고메 시스템에서 초전도성과 대칭성 깨진 전자 상태의 존재를 조사하기 위해.
• AV3Sb5 물질에서 관찰된 것처럼, 전하 밀도파 순서가 존재하지 않는 조건에서 전자 나치즘 상태가 나타나는지 확인하기 위해.
• 실험적 및 이론적 분석을 통합하여 나치즘 순서를 일으키는 궤도 성질과 그 미세한 기원을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고구조 품질을 확보하기 위해 플럭스 방법을 사용한 CsTi3Bi5의 단일 결정 성장.
• 면내 자기장 하에서의 각도 의존성 자화율 측정을 통해 회전 대칭성의 붕괴를 탐색하기 위해.
• 저온에서의 스캐닝 터널링 현미경 및 스펙트로스코픽 영상 촬영을 통해 준입자 간섭(QPI) 무늬 확보.
• 전자 구조의 궤도 성질과 나치즘 상태의 대칭성을 분석하기 위한 최초 원리 전자 구조 계산.
• 실험적 나치즘 상태를 이론적 예측과 비교하여 궤도 선택적 결합 순서를 규명하기 위해.
• 저항도 및 자화율 측정을 통한 초전도 전이 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 티타늄 기반 카고메 금속인 CsTi3Bi5는 초전도성을 나타내는가? 만약 그렇다면 임계 온도는 얼마인가?
• RQ2 CsTi3Bi5에서 전자 나치즘 순서의 증거가 있는가? 이는 이동 대칭성을 깨지 않고도 회전 대칭성을 깰 수 있는가?
• RQ3 어느 원자 궤도가 나치즘 준입자 간섭을 주로 담당하는가? 그리고 나치즘 상태가 궤도 선택적인가?
• RQ4 나치즘 순서의 미세한 기원은 무엇인가? 특히 궤도 결합 나치즘에 의해 주도되는가?
• RQ5 CsTi3Bi5의 나치즘 상태는 AV3Sb5 카고메 초전도체의 그것과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• CsTi3Bi5는 저항도 및 자화율 측정을 통해 확인된 Tc ≈ 4.8 K에서 초전도성을 나타낸다.
• 각도 의존성 자화율에서 명백한 이중 대칭성의 회전 대칭성 붕괴가 관찰되어 C4 회전 대칭성이 깨진 전자 나치즘 상태가 존재함을 시사한다.
• 스캐닝 터널링 현미경은 저에너지에서 C2 대칭의 준입자 간섭 무늬를 보여주며, 나치즘 순서에 대한 직접적인 미세 구조적 증거를 제공한다.
• 나치즘 준입자 간섭은 주로 Ti의 dxz 및 dyz 궤도에서 기인하며, 최초 원리 계산을 통해 확인되었다.
• 나치즘 순서는 dxz 및 dyz 궤도가 선호적으로 결합하는 궤도 결합 나치즘 상태에 기인하며, 전하 밀도파 형성 없이도 회전 대칭성을 깰 수 있다.
• 이 시스템은 이동 대칭성을 유지하며, AV3Sb5 유형의 카고메 초전도체와는 다름을 보여주며, 상호작용이 강한 카고메 금속에서 나치즘 상태가 나타나는 새로운 경로를 제시한다.