[论文解读] Charge-order-assisted topological surface states and flat bands in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Yong Hu, Samuel M. L. Teicher+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 39被引用 13

一句话总结

本研究揭示，在凯库梅超导体CsV₃Sb₅中，电荷序会抑制费米能级以下的拓扑表面态，而在超导态开启时，这些表面态在E_F附近被激活。角分辨光电子能谱检测到平坦能带，表明存在强电子关联效应，揭示了在马约拉纳零模平台中，拓扑性、关联效应与超导性之间罕见的协同作用。

ABSTRACT

The diversity of emergent phenomena in quantum materials often arises from the interplay between different physical energy scales or broken symmetries. Cooperative interactions among them are rare; however, when they do occur, they often stabilize fundamentally new ground states or phase behaviors. For instance, a pair density wave can form when the superconducting order parameter borrows spatial periodical variation from charge order; a topological superconductor can arise when topologically nontrivial electronic states proximitize with or participate in the formation of the superconducting condensate. Here, we report spectroscopic evidence for a unique synergy of topology and correlation effects in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ - one where topologically nontrivial surface states are pushed below the Fermi energy (E$_F$) by charge order, making the topological physics active near E$_F$ upon entering the superconducting state. Flat bands are observed, indicating that electron correlation effects are also at play in this system. Our results reveal the peculiar electronic structure of CsV$_3$Sb$_5$, which holds the potential for realizing Majorana zero modes and anomalous superconducting states in kagome lattices. They also establish CsV$_3$Sb$_5$ as a unique platform for exploring the cooperation between the charge order, topology, correlation effects and superconductivity.

研究动机与目标

• 研究凯库梅超导体CsV₃Sb₅中电荷序、拓扑性与电子关联之间的相互作用。
• 确定电荷序如何影响费米能级附近的电子结构与拓扑表面态。
• 识别平坦能带的存在，作为系统中强电子关联效应的特征。
• 探索在凯库梅晶格中实现马约拉纳零模与异常超导态的潜力。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）测绘CsV₃Sb₅的电子能带结构。
• 在超导转变温度附近进行光谱测量，以识别表面态与能带色散的变化。
• 分析电荷序影响下，拓扑表面态相对于费米能级的演化行为。
• 通过能带色散分析检测平坦能带的存在，表明强电子关联效应。
• 理论解释将电荷序引起的能带位移与E_F附近拓扑非平庸态的出现联系起来。
• 对比正常态与超导态下的电子结构，发现超导态下拓扑活动性增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CsV₃Sb₅中，电荷序如何影响拓扑表面态相对于费米能级的位置与活性？
• RQ2 在CsV₃Sb₅的电子结构中，存在哪些强电子关联效应的证据？
• RQ3 电荷序与拓扑性的相互作用是否能在超导态中增强拓扑活动性？
• RQ4 系统中平坦能带在多大程度上表明强电子关联效应的存在？
• RQ5 凯库梅晶格在实现拓扑性、关联效应与超导性之间的协同作用中起什么作用？

主要发现

• 在CsV₃Sb₅中，电荷序将拓扑表面态移至费米能级以下，仅在进入超导态时才在E_F附近被激活。
• 光谱测量揭示了平坦能带的存在，表明系统中存在强电子关联效应。
• 观察到拓扑表面态仅在超导相中出现在费米能级附近，表明其与超导性的协同作用。
• CsV₃Sb₅的电子结构展现出电荷序、拓扑性与电子关联效应之间独特的协同作用。
• 由于拓扑表面态与超导性的共存，该体系为实现马约拉纳零模提供了有前景的平台。
• 结果确立了CsV₃Sb₅作为研究凯库梅晶格中多种竞争序相互作用的模型体系。