[논문 리뷰] The effect of the interlayer ordering on the Fermi surface of Kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ revealed by quantum oscillations

Christopher Broyles, David Graf외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 02.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고자기장 양자 진동 측정을 통해 카그롬 초전도체 CsV₃Sb₅의 필름 표면이 스타 오브 데이비드(SD) 및 역-SD(ISD) 구조의 다층 간섭에 의해 크게 수정됨을 입증한다. 관측된 양자 진동 주파수의 수는 고립된 SD 또는 ISD 변형에 기반한 밀도함수이론(DFT) 계산의 예측을 초월하며, 이는 c축 방향 2×2×4 초격자 조성에 의해 필름 표면이 근본적으로 재구성됨을 강력한 증거로 제시한다.

ABSTRACT

The connection between unconventional superconductivity and charge density waves (CDW) has intrigued the condensed matter community and found much interest in the recently discovered superconducting Kagome family of AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Cs, Rb). Xray diffraction and Raman spectroscopy measurements established that the CDW order in CsV$_3$Sb$_5$ comprises of a 2x2x4 structure with stacking of layers of star-of-David (SD) and inverse-star-of-David (ISD) pattern along the $c$-axis direction. Such interlayer ordering will induce a vast normalization of the electronic ground state; however, it has not been observed in Fermi surface measurements. Here we report quantum oscillations of CsV$_3$Sb$_5$ using tunnel diode oscillator frequency measurements. We observed a large number of frequencies, many of which were not reported. The number of frequencies can not be explained by DFT calculations when only SD or ISD distortion is considered. Instead, our results are consistent with calculations when interlayer ordering is taken into account, providing strong evidence that CDW phase of CsV$_3$Sb$_5$ has complicated structure distortion which in turn has dramatic effects on the Fermi surface properties.

연구 동기 및 목표

• CsV₃Sb₅의 필름 표면에서 관측된 양자 진동 주파수와 이론적 예측 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• SD 및 ISD 구조의 다층 스택이 전자 구조 및 필름 표면 위상에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 양자 진동 실험에서 관측된 복잡한 필름 표면이 2×2×4 초격자 조성에 의해 설명될 수 있는지 확인하기 위해.
• 이전에 X선 회절(XRD) 및 라만 스펙트로스코피로 유추된 다층 간섭이 양자 진동 데이터에 감지 가능한 서명을 남기는지 테스트하기 위해.
• 카그롬 초전도체에서 CDW 유도 구조 변형이 전자적 성질을 어떻게 수정하는지의 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 최고 품질의 CsV₃Sb₅ 단일결정체를 이용해 최대 41.5 T의 자기장 하에서 터널 다이오드 온도스코프(TDO) 주파수 측정을 수행하였다.
• 0.59 K에서 30 K 사이의 온도에서 필름 표면 위상 구조를 탐색하기 위해 양자 진동 데이터를 확보하였다.
• TDO 주파수 데이터에 신속한 푸리에 변환(FFT) 분석을 적용하여 양자 진동 주파수를 추출하였다.
• 관측된 주파수를 고립된 SD 또는 ISD 변형에 기반한 DFT 계산 결과와 2×2×4 초격자 모델 예측 결과와 비교하였다.
• 효율 질량 및 주파수 피팅의 정확도를 향상시키기 위해 노이즈 제거 및 자기장 반전 분석을 실시하였다.
• 다양한 자기장 범위에서의 주파수 패턴을 비교하여 고조파 및 독립 궤도의 존재를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅에서 관측된 다수의 양자 진동 주파수는 고립된 SD 또는 ISD 변형을 가정한 DFT 계산으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 특히 2×2×4 초격자로 구성된 SD 및 ISD 층의 다층 스택이 실험적 양자 진동 데이터와 일치하는 필름 표면을 생성하는가?
• RQ3 500–1000 T 및 1200–1800 T 범위에서 신규로 관측된 주파수들은 낮은 주파수 궤도의 고조파인가, 아니면 독립된 필름 표면 포켓에 해당하는가?
• RQ4 어떤 주파수들은 두꺼운 샘플에서는 유지되지만 이전에는 얇은 플레이트에서만 보고되었는데, 이는 그 기원에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 CDW 상에서의 다층 간섭이 전자 기저 상태 및 필름 표면 구조를 얼마나 크게 재정렬시키는가?

주요 결과

• 단일 측정에서 총 14개의 고유한 양자 진동 주파수가 관측되었으며, 그 중 몇몇은 이전에 보고되지 않은 바였다.
• 관측된 주파수의 수와 패턴은 고립된 SD 또는 ISD 변형을 가정한 DFT 계산으로는 설명될 수 없으며, 더 복잡한 구조 모델이 필요함을 시사한다.
• 관측된 주파수들은 2×2×4 초격자 구조에 기반한 이론적 예측과 강력한 정성적 일치를 보이며, 다층 간섭된 SD/ISD 배열이 직접적으로 입증됨을 제공한다.
• 1200–1800 T 범위에서 이전에 보고되지 않은 6개의 주파수는 낮은 주파수 궤도의 고조파가 아니며, 독립된 필름 표면 포켓에 해당한다.
• 이전에 얇은 플레이트에서만 관측되지 않았던 유사한 고주파 모드가 두꺼운 샘플에서도 존재함을 고려할 때, 이러한 특징은 본질적인 것이며 산화 또는 양공 도핑의 영향이 아님을 시사한다.
• 결과적으로, CsV₃Sb₅의 CDW 상에서의 다층 간섭이 단일층 변형에 의해 예측되는 것보다 훨씬 더 큰 필름 표면 재구성 효과를 유도함을 입증한다.