[论文解读] Emergence of a new band and the Lifshitz transition in kagome metal ScV$_6$Sn$_6$ with charge density wave

Seoung‐Hun Kang, Haoxiang Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 20

一句话总结

本论文使用 ARPES、STM 和 DFT 研究 ScV6Sn6，并报告一个与温度相关的新表面能带以及与 CDW 形成相关的 Lifshitz 转变，但在费米能级没有能隙。

ABSTRACT

Topological kagome systems have been a topic of great interest in condensed matter physics due totheir unique electronic properties. The vanadium-based kagome materials are particularly intrigu-ing since they exhibit exotic phenomena such as charge density wave (CDW) and unconventionalsuperconductivity. The origin of these electronic instabilities is not fully understood, and the re-cent discovery of a charge density wave in ScV6Sn6provides a new avenue for investigation. In thiswork, we investigate the electronic structure of the novel kagome metal ScV6Sn6using angle resolvedphotoemission spectroscopy (ARPES), scanning tunneling microscopy (STM), and first-principlesdensity functional theory calculations. Our analysis reveals for the first time the temperature-dependent band changes of ScV6Sn6and identifies a new band that exhibits a strong signatureof a structure with CDW below the critical temperature. Further analysis revealed that this newband is due to the surface kagome layer of the CDW structure. In addition, a Lifshitz transition isidentified in the ARPES spectra that is related to the saddle point moving across the Fermi levelat the critical temperature for the CDW formation. This result shows the CDW behavior may alsobe related to nesting of the saddle point, similar to related materials. However, no energy gap is observed at the Fermi level and thus the CDW is not a typical Fermi surface nesting scenario. These results provide new insights into the underlying physics of the CDW in the kagome materials and could have implications for the development of materials with new functionality.

研究动机与目标

• 研究 ScV6Sn6 在 CDW 转变过程中的电子结构。
• 识别 CDW 如何影响带结构、费米表面以及可能的嵌套情景。
• 确定在 CDW 状态中出现的任何新带的起源。
• 评估 CDW 是否在费米水平处产生能隙，或来自表面态。

提出的方法

• 角分辨光电子能谱 (ARPES) 用于绘制带结构与费米表面。
• 扫描隧道显微镜/光谱 (STM/S) 用于探测局域态密度和表面截断效应。
• 带自旋轨道耦合的第一性原理密度泛函理论 (DFT) 计算，以建模体相与表面电子结构。
• 将带结构展开以便与沿高对称方向的 ARPES 进行比较。
• 聚焦于 V d 轨道，特别是 dz^2 特征的轨道解耦分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 ScV6Sn6 是否表现出可被 ARPES 与 STM 探测到的 CDW 引起的电子结构修改？
• RQ2 在 ScV6Sn6 中是否存在与 CDW 形成相关的 Lifshitz 转变？
• RQ3 在 CDW 状态中出现的新带的起源是什么——是体相还是表面态？
• RQ4 ScV6Sn6 的 CDW 是否在费米能级处打开能隙，指示 Peierls-like 嵌套情形？
• RQ5 表面终止如何影响 CDW 状态下观察到的电子结构？

主要发现

• 在 CDW 转变附近的 M 点处观察到温度相关的带移，表明当一个鞍点穿过费米能级时发生 Lifshitz 转变。
• 在 CDW 状态下，在费米能级附近出现额外带，归因于表面凯莫格层，来自表面 V 原子的 dz^2 特征。
• 在 CDW 状态中未在费米能级检测到能隙，表明 CDW 不是传统的费米表面嵌套不稳定性。
• DFT 和 ARPES 显示体相凯莫格特征，如 K 点的 Dirac 点和 M 点的鞍点，表面终止影响观测到的带。
• 新观察到的表面带与 CDW 引发的表面重构一致，并得到 STM/LDOS 测量的支持。
• Lifshitz 转变与随温度降至 T_c 以下而使 Van Hove 鞍点移出 E_F 相关联，与先前研究中电阻的变化相关。