[论文解读] Coexistence of Tri-Hexagonal and Star-of-David Pattern in the Charge Density Wave of the Kagome Superconductor AV$_3$Sb$_5$

Yong Hu, Xianxin Wu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 14

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）和密度泛函理论（DFT）揭示了AV₃Sb₅ kagome超导体中三六边形与大卫之星形电荷密度波（CDW）畸变的共存。这些图案的交替堆叠导致了三维2×2×2或2×2×4的CDW有序结构，解决了关于CDW结构本质的长期争议，并为理解该类材料中奇异电子性质奠定了基础。

ABSTRACT

The recently discovered layered kagome metals AV$_3$Sb$_5$(A=K, Rb, Cs) have attracted much attention because of their unique combination of superconductivity, charge density wave (CDW) order, and nontrivial band topology. The CDW order with an in-plane 2x2 reconstruction is found to exhibit exotic properties, such as time-reversal symmetry breaking and rotational symmetry breaking. However, the nature of the CDW, including its dimensionality, structural pattern, and effect on electronic structure, remains elusive despite intense research efforts. Here, using angle-resolved photoemission spectroscopy, we unveil for the first time characteristic double-band splittings and band reconstructions, as well as the band gap resulting from band folding, in the CDW phase. Supported by density functional theory calculations, we unambiguously show that the CDW in AV$_3$Sb$_5$ originates from the intrinsic coexistence of Star-of-David and Tri-Hexagonal distortions. The alternating stacking of these two distortions naturally leads to three-dimensional 2x2x2 or 2x2x4 CDW order. Our results provide crucial insights into the nature and distortion pattern of the CDW order, thereby laying down the basis for a substantiated understanding of the exotic properties in the family of AV$_3$Sb$_5$ kagome metals.

研究动机与目标

• 解决AV₃Sb₅ kagome超导体中电荷密度波（CDW）有序结构模式与维度的长期争议。
• 确定观测到的2×2面内CDW重构是由单一畸变引起，还是多种结构基元共存的结果。
• 阐明CDW如何影响电子能带结构，特别是通过能带折叠与能隙形成机制。
• 从本征晶格畸变及其三维堆叠角度，建立CDW起源的统一理解。
• 为解释AV₃Sb₅中时间反演对称性破缺与旋转对称性破缺等奇异现象提供基础。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测AV₃Sb₅在CDW相中的能带分裂、重构与能隙特征。
• 通过密度泛函理论（DFT）计算模拟晶格畸变及其对电子结构的影响。
• 理论建模聚焦于比较三六边形与大卫之星形畸变模式的能量稳定性与电子响应。
• 模拟两种畸变模式的共存，评估其堆叠方式及由此形成的三维CDW超晶格结构。
• 分析能带折叠效应，将观测到的ARPES特征与底层CDW周期性关联。
• 评估2×2×2与2×2×4 CDW超晶格作为两种畸变类型交替堆叠可能结果的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 AV₃Sb₅中2×2面内CDW有序的真实结构模式是什么？
• RQ2 观测到的CDW能否由单一畸变模式解释，还是必须依赖多种模式的共存？
• RQ3 三六边形与大卫之星形畸变如何相互作用，形成观测到的三维CDW超晶格结构？
• RQ4 能带折叠在产生实验观测到的双能带分裂与能隙中起什么作用？
• RQ5 这些畸变的堆叠如何导致具有2×2×2或2×2×4周期性的三维CDW有序？

主要发现

• AV₃Sb₅中的CDW源于三六边形与大卫之星形晶格畸变的本征共存，ARPES与DFT结果均予以证实。
• ARPES测量揭示了与2×2×2或2×2×4 CDW超晶格结构一致的特征双能带分裂与能带重构。
• 由于能带折叠效应观测到能隙，直接将电子结构与CDW周期性关联。
• 三六边形与大卫之星形畸变的交替堆叠自然解释了三维CDW有序的出现。
• 研究结果解决了CDW起源长期存在的争议，并为其奇异对称性破缺态提供了统一解释。
• 研究结果为理解AV₃Sb₅ kagome金属中时间反演对称性破缺与旋转对称性破缺奠定了基础。