[论文解读] Spatial symmetry constraint of charge-ordered kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Haoxiang Li, Yu-Xiao Jiang+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用 9

一句话总结

本研究利用高分辨率X射线衍射、STM和STEM表明，凯莫夫超导体CsV₃Sb₅中的4a₀超晶格结构仅为表面现象，而非体相性质。关键发现是，体相2×2×2电荷密度波（CDW）序破坏旋转对称性至C₂，从而驱动体相向列性及观测到的表面超晶格，对涌现电子序施加了关键的空间对称性约束。

ABSTRACT

Elucidating the symmetry of intertwined orders in exotic superconductors is at the quantum frontier. Recent surface sensitive studies of the topological kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ discovered a cascade 4a$_0$ superlattice below the charge density wave (CDW) ordering temperature, which can be related to the pair density modulations in the superconducting state. If the 4a$_0$ phase is a bulk and intrinsic property of the kagome lattice, this would form a striking analogy to the stripe order and pair density wave discovered in the cuprate high-temperature superconductors, and the cascade ordering found in twisted bilayer graphene. High-resolution X-ray diffraction has recently been established as an ultra-sensitive probe for bulk translational symmetry-breaking orders, even for short-range orders at the diffusive limit. Here, combining high-resolution X-ray diffraction, scanning tunneling microscopy and scanning transmission electron microscopy, we demonstrate that the 4a$_0$ superstructure emerges uniquely on the surface and hence exclude the 4a$_0$ phase as the origin of any bulk transport or spectroscopic anomaly. Crucially, we show that our detected 2$ imes$2$ imes$2 CDW order breaks the bulk rotational symmetry to C2, which can be the driver for the bulk nematic orders and nematic surface superlattices including the 4a$_0$ phase. Our high-resolution data impose decisive spatial symmetry constraints on emergent electronic orders in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$.

研究动机与目标

• 确定在CsV₃Sb₅中观测到的4a₀超晶格结构是体相还是表面现象。
• 识别控制该凯莫夫超导体中涌现电子序的潜在空间对称性破缺。
• 阐明级联4a₀超晶格的起源及其与体相输运和谱学异常的关系。
• 确立高分辨率X射线衍射作为量子材料中体相平动对称性破缺序的灵敏探测手段。

提出的方法

• 采用高分辨率X射线衍射探测体相平动对称性破缺，即使在扩散极限下亦可实现。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）成像表面电子结构并检测4a₀超晶格。
• 利用扫描透射电子显微镜（STEM）对表面及近表面区域提供原子尺度结构表征。
• 结合这些技术，实现了表面与体相电子及结构性质的直接比较。
• 对观测到的CDW序进行对称性分析，以识别体相中保持的点群对称性。
• 基于实验数据进行理论建模，将C₂对称性破缺的CDW与向列序的出现联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅中的4a₀超晶格结构是体相还是表面现象？
• RQ2 CsV₃Sb₅体相电荷密度波序的空间对称性是什么？
• RQ3 体相CDW序如何与向列性的出现及表面超结构相关联？
• RQ4 高分辨率X射线衍射能否探测到量子材料中短程平动对称性破缺序？
• RQ5 2×2×2 CDW在驱动观测到的4a₀表面超晶格中起什么作用？

主要发现

• CsV₃Sb₅中的4a₀超晶格结构仅为表面现象，体相中并不存在。
• 体相2×2×2电荷密度波序将旋转对称性破缺至C₂，确立了明确的空间对称性约束。
• 该C₂对称性破缺的CDW极可能是体相向列序的驱动因素。
• 表面4a₀超晶格由体相向列序诱导，而非其本身为体相相。
• 高分辨率X射线衍射成功探测到体相CDW序，证实其在对称性破缺中的作用。
• 本研究排除了4a₀相作为CsV₃Sb₅体相输运或谱学异常起源的可能性。