[논문 리뷰] Twofold van Hove singularity and origin of charge order in topological kagome superconductor CsV3Sb5

Min‐Gu Kang, Shiang Fang외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 04.

Topological Materials and Phenomena인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 CsV3Sb5가 두 가지 다른 유형의 반하우스 특이점(vHs)—p형과 m형—을 가지고 있음을 밝혀내며, 이는 서로 다른 카고메 오비탈 성질에서 기인한다. m형 vHs는 dxz/dyz 오비탈에서 발생하고, p형 vHs는 dxy/dx2-y2 오비탈에서 발생하며, 둘 다 에너지 수준이 패피 레벨을 가로지른다. 이러한 특이점들은 전자적 대칭성 붕괴를 이끌어내며, 강한 패피 표면 낮춤과 고차원 상호작용을 통해 전하 서열을 유도한다. 이로써 카고메 기반 vHs가 AV3Sb5 초전도체에서 양자 상의 기원에 핵심적인 역할을 한다는 것이 입증된다.

ABSTRACT

The layered vanadium antimonides AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) are a recently discovered family of topological kagome metals with a rich phenomenology of strongly correlated electronic phases including charge order and superconductivity. Understanding how the singularities inherent to the kagome electronic structure are linked to the observed many-body phases is a topic of great interest and relevance. Here, we combine angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory to reveal multiple kagome-derived van Hove singularities (vHs) coexisting near the Fermi level of CsV3Sb5 and analyze their contribution to electronic symmetry breaking. Intriguingly, the vHs in CsV3Sb5 have two distinct flavors - p-type and m-type - which originate from their pure and mixed sublattice characters, respectively. This twofold vHs is unique property of the kagome lattice, and its flavor critically determines the pairing symmetry and ground states emerging in AV3Sb5 series. We establish that, among the multiple vHs in CsV3Sb5, the m-type vHs of the dxz/dyz kagome band and the p-type vHs of the dxy/dx2-y2 kagome band cross the Fermi level to set the stage for electronic symmetry breaking. The former band exhibits pronounced Fermi surface nesting, while the latter contributes via higher-order vHs. Our work reveals the essential role of kagome-derived vHs for the collective phenomena realized in the AV3Sb5 family, paving the way to a deeper understanding of strongly correlated topological kagome systems.

연구 동기 및 목표

• 톱올로지컬 카고메 초전도체인 CsV3Sb5에서 전하 서열과 초전도성의 기원에 관여하는 반하우스 특이점(vHs)의 역할을 이해하기 위해.
• 카고메 격자에서 CsV3Sb5의 패피 레벨 근처에 존재하는 다수의 vHs의 기원과 성질을 규명하기 위해.
• 다른 vHs 유형—p형과 m형—이 전자적 대칭성 붕괴와 양자 상의 기원에 어떻게 다르게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 전자 구조적 특징과 AV3Sb5 계열 물질에서 관측된 강한 상관 현상 간의 연관성을 설정하기 위해.

제안 방법

• CsV3Sb5에서 패피 레벨 근처의 전자 밴드 구조와 vHs를 직접 측정하기 위해 각도 의존성 광전자 방출 분석(ARPES)을 수행하였다.
• 전자 구조를 모델링하고 ARPES 관측 결과를 검증하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 서브격자 혼합 정도에 기반해 오비탈 성질(dxz/dyz 대비 dxy/dx2-y2)을 분석하여 vHs를 p형 또는 m형으로 분류하였다.
• 전자기구의 대칭성 붕괴에 기여하는 패피 표면 낮춤과 고차원 반하우스 특이점의 역할을 평가하기 위해 분석을 수행하였다.
• AV3Sb5 계열 전반에서 vHs 기여도를 비교하여 일반화된 메커니즘을 규명하였다.
• 대칭성과 밴드 토폴로지 분석을 통해 vHs와 기원하는 상관 현상 간의 연관성을 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV3Sb5의 전자 구조에 존재하는 반하우스 특이점의 유형은 무엇이며, 그 성질은 어떻게 다릅니까?
• RQ2 카고메 밴드에서의 p형 및 m형 vHs가 CsV3Sb5의 전자적 대칭성 붕괴에 어떻게 기여합니까?
• RQ3 어느 vHs가 시스템에서 전하 서열 형성의 원인이 되는가?
• RQ4 dxz/dyz 대비 dxy/dx2-y2 오비탈 성질이 vHs의 성질과 영향력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고차원 반하우스 특이점은 AV3Sb5 물질에서 상관 상의 기원을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CsV3Sb5는 패피 레벨 근처에 다수의 카고메 기반 반하우스 특이점(vHs)을 포함하며, 두 가지 유형—p형과 m형—이 존재한다.
• m형 vHs는 혼합된 서브격자 성질(dxz/dyz 밴드에서 기인)을 가지며, p형 vHs는 순수한 서브격자 성질(dxy/dx2-y2 밴드에서 기인)을 가진다.
• dxz/dyz 밴드의 m형 vHs는 강한 패피 표면 낮춤을 보이며, 전하 서열 형성에 기여한다.
• dxy/dx2-y2 밴드의 p형 vHs는 고차원 특이점에 의해 기여하며, 전자 상호작용을 강화한다.
• 이러한 두 유형의 vHs가 공존하는 것은 카고메 격자의 고유한 특징이며, AV3Sb5의 쌍결합 대칭성과 기초 상태에 결정적인 영향을 미친다.
• 이 연구는 카고메 기반 vHs가 토폴로지적 카고메 초전도체에서 상관 현상의 기원에 필수적이라는 것을 입증한다.