[论文解读] Twofold van Hove singularity and origin of charge order in topological kagome superconductor CsV3Sb5

Min‐Gu Kang, Shiang Fang+15 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 16

一句话总结

本研究揭示，CsV3Sb5中存在两种不同类型的范霍夫奇点（vHs）——p型和m型——分别源于不同的凯莫夫轨道特性。其中，dxz/dyz能带中的m型vHs与费米能级相交，而dxy/dx2-y2能带中的p型vHs也跨越费米能级。这些奇点引发电子对称性破缺，通过强费米面嵌套和高阶关联效应驱动电荷序形成，确立了凯莫夫衍生的vHs在AV3Sb5超导体中关联物态涌现的核心作用。

ABSTRACT

The layered vanadium antimonides AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) are a recently discovered family of topological kagome metals with a rich phenomenology of strongly correlated electronic phases including charge order and superconductivity. Understanding how the singularities inherent to the kagome electronic structure are linked to the observed many-body phases is a topic of great interest and relevance. Here, we combine angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory to reveal multiple kagome-derived van Hove singularities (vHs) coexisting near the Fermi level of CsV3Sb5 and analyze their contribution to electronic symmetry breaking. Intriguingly, the vHs in CsV3Sb5 have two distinct flavors - p-type and m-type - which originate from their pure and mixed sublattice characters, respectively. This twofold vHs is unique property of the kagome lattice, and its flavor critically determines the pairing symmetry and ground states emerging in AV3Sb5 series. We establish that, among the multiple vHs in CsV3Sb5, the m-type vHs of the dxz/dyz kagome band and the p-type vHs of the dxy/dx2-y2 kagome band cross the Fermi level to set the stage for electronic symmetry breaking. The former band exhibits pronounced Fermi surface nesting, while the latter contributes via higher-order vHs. Our work reveals the essential role of kagome-derived vHs for the collective phenomena realized in the AV3Sb5 family, paving the way to a deeper understanding of strongly correlated topological kagome systems.

研究动机与目标

• 理解范霍夫奇点（vHs）在拓扑凯莫夫超导体CsV3Sb5中电荷序与超导性涌现过程中的作用。
• 确定凯莫夫晶格中费米能级附近多重vHs的起源与性质。
• 确定不同vHs类型（p型与m型）如何差异性地影响电子对称性破缺与关联基态。
• 将电子结构特征与AV3Sb5族材料中观测到的强关联现象联系起来。

提出的方法

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接探测CsV3Sb5中费米能级附近的电子能带结构与vHs。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算模拟电子结构并验证ARPES观测结果。
• 分析轨道特性（dxz/dyz与dxy/dx2-y2）以基于亚晶格混合性将vHs分类为p型或m型。
• 研究费米面嵌套与高阶范霍夫奇点，评估其在对称性破缺中的作用。
• 对比AV3Sb5系列中vHs的贡献，识别普遍作用机制。
• 结合对称性与能带拓扑分析，将vHs与涌现关联物态联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV3Sb5的电子结构中存在哪些类型的范霍夫奇点，它们在特性上如何不同？
• RQ2 凯莫夫能带中的p型与m型vHs如何在CsV3Sb5中促进电子对称性破缺？
• RQ3 哪类vHs负责驱动系统中电荷序的形成？
• RQ4 轨道特性（dxz/dyz与dxy/dx2-y2）如何影响vHs的性质及其影响？
• RQ5 高阶范霍夫奇点在稳定AV3Sb5材料中关联基态方面发挥何种作用？

主要发现

• CsV3Sb5在费米能级附近存在多个凯莫夫衍生的范霍夫奇点（vHs），具有两种截然不同的类型：p型与m型。
• m型vHs源于混合亚晶格特性（dxz/dyz能带），而p型vHs则源于纯亚晶格特性（dxy/dx2-y2能带）。
• dxz/dyz能带中的m型vHs表现出强烈的费米面嵌套，促进电荷序的形成。
• dxy/dx2-y2能带中的p型vHs通过高阶奇点增强电子关联效应。
• 这两种vHs类型的共存是凯莫夫晶格的独特特征，对AV3Sb5中的配对对称性与基态起决定性作用。
• 本研究确立了凯莫夫衍生vHs在拓扑凯莫夫超导体中关联物态涌现过程中的关键作用。