[논문 리뷰] Unidirectional coherent quasiparticles in the high-temperature rotational symmetry broken phase of AV3Sb5 kagome superconductors

Hong Li, H. Zhao외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 28.

Topological Materials and Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 분광 영상 스캐닝 터널링 현미경을 사용하여 AV3Sb5 카고메 초전도체에서 초전도 전이 온도 이하에서 단방향으로 응집된 준입자가 나타나며, 이는 고온의 회전 대칭 깨짐 상을 시사한다. 준입자들은 운동량 공간에서 뚜렷한 단방향 특성을 보이며 초전도성 향해 강화되며, 전하 순서와 초전도성 사이의 명백한 중간 상이 있음을 나타낸다.

ABSTRACT

Kagome metals AV3Sb5 (where the A can stand for K, Cs, or Rb) display a rich phase diagram of correlated electron states, including superconductivity and density waves. Within this landscape, recent experiments revealed signs of a transition below approximately 35 K attributed to an electronic nematic phase that spontaneously breaks rotational symmetry of the lattice. Here, we show that rotational symmetry breaking initiates universally at a high temperature in these materials, toward the 2 x 2 charge density wave transition temperature. We do this via spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy and study atomic-scale signatures of electronic symmetry breaking across several materials in the AV3Sb5 family: CsV3Sb5, KV3Sb5 and Sn-doped CsV3Sb5. Below a significantly lower temperature of about 30 K, we measure quantum interference of quasiparticles, a key signature for the formation of a coherent electronic state. These quasiparticles display a pronounced unidirectional feature in reciprocal space that strengthens as the superconducting state is approached. Our experiments reveal that high-temperature rotation symmetry breaking and the charge ordering states are separated from the superconducting ground state by an intermediate-temperature regime with coherent unidirectional quasiparticles. This picture is phenomenologically different compared to that in high-temperature superconductors, shedding light on the complex nature of rotation symmetry breaking in AV3Sb5 kagome superconductors.

연구 동기 및 목표

• AV3Sb5 카고메 초전도체에서 여러 물질를 대상으로 전자 구조와 대칭 깨짐을 연구하기 위해.
• 회전 대칭 깨짐이 전하 밀도파 전이와 초전도 전이에 비해 어느 온도 척도에서 발생하는지 규명하기 위해.
• 중간 온도 영역에서 응집된 준입자와 그 운동량 공간 특성의 발생을 규명하기 위해.
• 이 상관관계가 있는 전자 시스템에서 회전 대칭 깨짐, 전하 순서, 초전도성 간의 관계를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 원자 해상도에서 局부 전자 구조를 탐사하기 위해 분광 영상 스캐닝 터널링 현미경(SI-STM)을 사용하기 위해.
• 준입자의 양자 간섭 패tern을 측정하여 응집성과 운동량 공간 이방성의 정도를 평가하기 위해.
• 준입자 산란의 역공간 서명을 분석하여 전자 상태에서 단방향 특징을 탐지하기 위해.
• CsV3Sb5, KV3Sb5, 그리고 Sn 도핑된 CsV3Sb5를 비교하여 AV3Sb5 계열에서의 보편적 행동을 확립하기 위해.
• 고온에서 초전도 전이 온도까지 전자 상태의 온도 변화를 맵핑하기 위해.
• 준입자 간섭(QPI)을 사용하여 응집된 전자 반응과 비응집된 전자 반응을 구별하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AV3Sb5 카고메 초전도체에서 회전 대칭 깨짐은 어느 온도에서 시작되는가?
• RQ2 초전도 전이 온도 이상에서 응집된 준입자는 어떻게 운동량 공간에서 발생하고 진화하는가?
• RQ3 고온의 회전 대칭 깨짐 상과 2×2 전하 밀도파 상태 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 전하 순서와 초전도성 사이에 응집된 단방향 준입자를 갖는 별개의 전자 상이 존재하는가?
• RQ5 다양한 AV3Sb5 물질에서 단방향 준입자의 발생은 얼마나 보편적인가?

주요 결과

• AV3Sb5 물질에서의 회전 대칭 깨짐은 보편적으로 높은 온도에서 발생하며, 2×2 전하 밀도파 전이 온도 근처에서 발생한다.
• 운동량 공간에서 뚜렷한 단방향 특성을 갖는 응집된 준입자는 약 30 K 이하에서 나타나며, 초전도 전이 온도보다 훨씬 높은 온도에서 발생한다.
• 시스템이 초전도 상태에 가까워질수록 단방향 준입자 특징이 강화되며, 응집성이 증가함을 나타낸다.
• 전하 밀도파 상과 초전도 상 사이에 응집된 단방향 준입자를 갖는 중간 온도 영역이 존재한다.
• 관측된 전자 상태는 고온의 구리산 초전도체의 상태와 현상학적으로 다름을 보이며, AV3Sb5에서 고유한 대칭 깨짐 물리가 있음을 강조한다.
• 결과는 CsV3Sb5, KV3Sb5, Sn 도핑된 CsV3Sb5 모두에서 일관되며, AV3Sb5 계열에서의 보편적 행동을 확인한다.