[论文解读] Analysis of Charge Order in the Kagome Metal $A$V$_3$Sb$_5$ ($A=$K,Rb,Cs)

M. Michael Denner, Ronny Thomale+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 8

一句话总结

本文提出，石墨烯金属AV₃Sb₅（A = K, Rb, Cs）中的电荷序是由电子驱动的，源于在范霍夫填充点处的三重电荷键序（CBO）不稳定性。通过吉纳斯堡-朗道理论框架，证明了CBO会自发地破缺时间反演对称性，并倾向于形成手性向列序，与实验中的扫描隧道显微镜（STM）和角分辨光电子能谱（ARPES）数据一致。

ABSTRACT

Motivated by the recent discovery of unconventional charge order, we develop a theory of electronically mediated charge density wave formation in the family of kagome metals $A$V$_3$Sb$_5$ ($A=$K,Rb,Cs). The intertwining of van Hove filling and sublattice interference suggests a three-fold charge density wave instability at T$_{ ext{CDW}}$. From there, the charge order forming below T$_{ ext{CDW}}$ can unfold into a variety of phases capable of exhibiting orbital currents and nematicity. We develop a Ginzburg Landau formalism to stake out the parameter space of kagome charge order. We find a nematic chiral charge order to be energetically preferred, which shows tentative agreement with experimental evidence.

研究动机与目标

• 理解AV₃Sb₅族金属中非常规电荷序的起源，特别是其是否由电子媒介引起，还是由结构畸变引起。
• 研究范霍夫填充点和亚晶格干涉在稳定具有非零角动量的三重电荷密度波中的作用。
• 确定具有l=1的电荷键序（CBO）是否在能量上优于具有l=0的常规电荷密度序（CDO）。
• 利用吉纳斯堡-朗道框架，探讨电荷序相中轨道电流和向列性的出现机制。
• 将理论预测与实验观测（如能带结构重构和时间反演对称性破缺）相协调。

提出的方法

• 构建一个最小化的二维紧束缚模型，以捕捉AV₃Sb₅的基本电子结构，重点研究石墨烯晶格上d轨道的行为。
• 在范霍夫填充点对石墨烯Hubbard模型进行平均场分析，以比较CBO（l=1）和CDO（l=0）的不稳定性。
• 构建一个吉纳斯堡-朗道自由能展开式，包含三个复数序参量（对应于三个CBO分量）的二阶、三阶和四阶项。
• 分析自由能中二阶与三阶项之间的竞争关系，以确定T_CDW以下的基态对称性和相结构。
• 评估序参量相位对能带结构和态密度的影响，并与实验中的ARPES和STM数据进行比较。
• 利用微观计算得出的γ₁ < 0和γ₂ = 0，施加相位约束（φ₁ + φ₂ + φ₃ ≡ 0 mod 2π），从而导致时间反演对称性破缺。

实验结果

研究问题

• RQ1 AV₃Sb₅中的电荷序是否主要由电子驱动，还是由晶格畸变诱导？
• RQ2 为何在范霍夫填充点处，具有非零角动量的三重电荷键序（CBO）会主导常规电荷密度序（CDO）？
• RQ3 亚晶格干涉在增强嵌套通道中近邻电子关联而非局域库仑排斥力方面起到什么作用？
• RQ4 吉纳斯堡-朗道自由能中二阶与三阶项之间的竞争如何导致向列性和时间反演对称性破缺？
• RQ5 所观测到的向列手性电荷序是否能够解释实验中观测到的轨道电流和重构的能带结构？

主要发现

• 由于在范霍夫填充点处的亚晶格干涉，三重CBO不稳定性（l=1）在参数空间的广大区域内主导于CDO（l=0）。
• 吉纳斯堡-朗道分析表明，三个CBO分量在T_CDW处同时成核，且满足相位和约束条件φ₁ + φ₂ + φ₃ ≡ 0 mod 2π。
• 由于非均匀的相位因子（φ₁ ≠ φ₂ ≠ φ₃ ≠ π/2），系统自发破缺时间反演对称性，从而产生轨道电流。
• 由此产生的向列手性电荷序破缺C₆旋转对称性，与STM和ARPES实验中观测到的向列性一致。
• CBO态中的能带结构在费米能级附近表现出态密度降低，并在费米能级上下形成两个明显的峰，与实验ARPES数据相符。
• 该模型预测，随着温度降低，电荷序由各向同性向各向异性转变，其驱动力来自自由能中三阶与四阶项的竞争。