[논문 리뷰] Quantum transport evidence of topological band structures of kagome superconductor CsV3Sb5

Yang Fu, Ningning Zhao외 9명|PubMed|2021. 04. 16.

Topological Materials and Phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 고자기장(최대 32 T)에서의 셰브니코프-데 하아스(SdH) 진동 측정을 통해 카고메 초전도체 CsV₃Sb₅에서 비자명한 위상적 밴드 구조의 직접적인 양자 운반 증거를 제공한다. L 및 K/H 점에서의 피에르 표면 궤도에서 관측된 베리 위상 값이 π에 가까운 것은 전하 밀도파(CDW) 상태에서 위상적으로 비자명한 전자 상태를 확인하며, 이론적 모델링은 역성운성별(Star of David, ISD) 격자 비틀림이 가장 안정한 구조임을 지지한다.

ABSTRACT

We report the transport properties of kagome superconductor CsV_{3}Sb_{5} single crystals at magnetic field up to 32 T. The Shubnikov-de Haas oscillations emerge at low temperature and four frequencies of F_{α}=27 T, F_{β}=73 T, F_{ε}=727 T, and F_{η}=786 T with relatively small cyclotron masses are observed. For F_{β} and F_{ε}, the Berry phases are close to π, providing clear evidence of nontrivial topological band structures of CsV_{3}Sb_{5}. Furthermore, the consistence between theoretical calculations and experimental results implies that these frequencies can be assigned to the Fermi surfaces locating near the boundary of Brillouin zone and confirms that the structure with an inverse Star of David distortion could be the most stable structure at charge density wave state. These results will shed light on the nature of correlated topological physics in kagome material CsV_{3}Sb_{5}.

연구 동기 및 목표

• 카고메 초전도체 CsV₃Sb₅의 전하 밀도파(CDW) 상태에서의 위상적 전자 구조를 조사하기 위해.
• 고자기장 양자 운반 측정을 통해 피에르 표면 극값 궤도의 성격과 그 위상적 특성을 규명하기 위해.
• 이론적 모델링과 실험적 SdH 데이터를 결합하여 CDW 상에서의 역성운성별(ISD) 격자 비틀림의 안정성을 검증하기 위해.
• 상호작용이 강한 카고메 물질에서 위상적 밴드 구조, 사이클로트론 질량, 그리고 베리 위상 간의 관계를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 32 T에 이르는 자기장 하에서 단결정 CsV₃Sb₅의 고정밀 운반 측정을 수행하였으며, 주로 ab 평면의 저항도 ρₓₓ를 분석하였다.
• 셰브니코프-데 하아스(SdH) 양자 진동 분석을 통해 피에르 표면 주파수(F), 효율적 사이클로트론 질량(m*), 그리고 베리 위상(ϕ_B)을 추출하였다.
• 3차원 브릴루앙 영역을 사용하여 역성운성별(ISD) 비틀림을 고려한 피에르 표면 단면의 이론적 모델링을 수행하여 극값 궤도를 시뮬레이션하였다.
• 이론적으로 예측된 SdH 주파수와 베리 위상 값을, ISD 구조를 기반으로 한 최초 원리 계산 결과와 실험 데이터를 비교하였다.
• SdH 주파수의 각도 의존성 측정을 통해 피에르 표면 포켓의 형상과 정렬을 확인하였으며, 특히 F_β에 초점을 맞추었다.
• 신호의 명확성을 향상시키기 위해 ρₓₓ(μ₀H)에서 매끄러운 배경을 빼내어 진동 성분 Δρₓₓ를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsV₃Sb₅에서 관측된 SdH 진동은 CDW 상태에서 비자명한 위상적 밴드 구조의 존재를 시사하는가?
• RQ2 관측된 피에르 표면 주파수(F_α = 27 T, F_β = 73 T, F_ε = 727 T, F_η = 786 T)의 기원은 무엇이며, 피에르 표면 위상과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 특정 피에르 표면 궤도(F_β 및 F_ε)에서 측정된 베리 위상 값이 π에 가까운가? 이는 위상적으로 비자명한 성질을 뒷받침하는가?
• RQ4 이론적 및 실험적 결과의 일치를 바탕으로, CDW 상태에서의 역성운성별(ISD) 격자 비틀림이 가장 안정한 구조인가?
• RQ5 3D 2×2×2 초격자에서 c축 방향의 격자 비틀림이 피에르 표면과 관측된 SdH 주파수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 네 가지의 구분되는 SdH 진동 주파수 F_α = 27 T, F_β = 73 T, F_ε = 727 T, F_η = 786 T가 관측되어 다수의 피에르 표면 포켓이 있음을 시사한다.
• 이 궤도들의 효율적 사이클로트론 질량(m*)은 작으며, F_β의 경우 m* ≈ 0.142(4) mₑ로, L 점 근처에서 선형 분산을 나타낸다.
• F_β 및 F_ε 궤도의 베리 위상 ϕ_B는 π에 매우 가까운 값(각각 1.01π 및 0.98π)을 보이며, 비자명한 위상적 밴드 구조에 대한 직접적 증거를 제공한다.
• ISD 비틀림을 고려한 이론적 계산은 실험적 SdH 주파수 경향성과 각도 의존성을 잘 재현하며, F_β가 L 점에서의 타원형 포켓에 해당함을 확인한다.
• 실험과 이론 간의 일치는 CsV₃Sb₅의 CDW 상태에서 역성운성별(ISD) 비틀림이 가장 안정한 구조임을 지지한다.
• A 점 근처의 피에르 표면은 큰 정육각형 단면을 가지며, k_z = 0 평면에서는 불연속적인 형태를 띠며, ARPES 및 밴드 구조 예측과 일치한다.