[论文解读] Electronic nematicity without charge density waves in titanium-based kagome metal

Hong Li, Siyu Cheng+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过光谱成像扫描隧道显微镜技术，在kagome金属CsTi3Bi5中揭示了电子向列性——即自发的旋转对称性破缺——且未观测到电荷密度波序。该向列序源于平面内与平面外钛d轨道之间的各向异性电子关联，提示其为铁基超导体中向列键序的六重对称类比。

ABSTRACT

Layered crystalline materials that consist of transition metal atoms on a kagome network have emerged as a versatile platform to study unusual electronic phenomena. For example, in the vanadium-based kagome superconductors AV3Sb5 (where A can stand for K, Cs, or Rb) there is a parent charge density wave phase that appears to simultaneously break both the translational and the rotational symmetry of the lattice. Here, we show a contrasting situation where electronic nematic order - the breaking of rotational symmetry without the breaking of translational symmetry - can occur without a corresponding charge density wave. We use spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy to study the kagome metal CsTi3Bi5 that is isostructural to AV3Sb5 but with a titanium atom kagome network. CsTi3Bi5 does not exhibit any detectable charge density wave state, but comparison to density functional theory calculations reveals substantial electronic correlation effects at low energies. Comparing the amplitudes of scattering wave vectors along different directions, we discover an electronic anisotropy that breaks the six-fold symmetry of the lattice, arising from both in-plane and out-of-plane titanium-derived d orbitals. Our work uncovers the role of electronic orbitals in CsTi3Bi5, suggestive of a hexagonal analogue of the nematic bond order in Fe-based superconductors.

研究动机与目标

• 研究CsTi3Bi5中的电子序，该材料为与AV3Sb5同结构的kagome金属，但以Ti取代V。
• 确定在CsTi3Bi5中电荷密度波（CDW）序是否与电子向列性共存。
• 理解电子关联及轨道贡献在无CDW形成条件下驱动向列序的作用。
• 探讨kagome晶格中由Ti衍生d轨道引起的电子结构六重对称性破缺的起源。

提出的方法

• 采用光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）探测原子尺度下的局域电子结构及对称性破缺。
• 通过比较不同晶向的扫描隧道谱及波矢振幅，检测各向异性。
• 进行密度泛函理论（DFT）计算，分析电子能带结构并确定Ti 3d轨道的作用。
• 在实空间与动量空间中分析散射波矢，量化向列序参数。
• 利用对称性分析区分向列序（旋转对称性破缺）与CDW序（平动对称性破缺）。
• 将观测到的电子各向异性与Ti网络中平面内及平面外d轨道的贡献相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无电荷密度波序的情况下，CsTi3Bi5中是否存在电子向列序？
• RQ2 CsTi3Bi5电子结构中观测到的六重对称性破缺的起源是什么？
• RQ3 Ti 3d轨道（包括平面内与平面外）如何贡献于向列序的形成？
• RQ4 电子关联在驱动该kagome金属中观测到的向列态方面起多大作用？
• RQ5 CsTi3Bi5中的向列序是否与铁基超导体中发现的向列键序类似？

主要发现

• 尽管存在强电子关联，但在CsTi3Bi5中未检测到可分辨的电荷密度波（CDW）序。
• 通过SI-STM测量，明确识别出破坏kagome晶格六重旋转对称性的电子各向异性。
• DFT计算证实，向列序源于平面内与平面外钛衍生d轨道的共同作用。
• 沿不同晶向的散射波矢振幅表现出六重对称性破缺的模式。
• 观测到的向列性并非由晶格畸变或CDW形成引起，而是由Ti 3d能带中的电子关联驱动。
• 结果提示存在一种六重对称类比的向列键序，类似于铁基超导体中的情况，但无CDW共存。