[论文解读] Discovery of topological charge order in kagome superconductor KV3Sb5

Yu-Xiao Jiang, Jia‐Xin Yin+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 54被引用 22

一句话总结

本研究利用高分辨率扫描隧道显微镜在凯莫夫超导体KV3Sb5中发现了一种拓扑电荷序，揭示了2×2超晶格结构以及电荷调制中强度反转的能隙，同时观察到磁场所可调控的螺旋各向异性，表明该拓扑电荷序可能驱动非传统超导性及巨大的反常霍尔效应。

ABSTRACT

Intertwining exotic quantum order and nontrivial topology is at the frontier of condensed matter physics. A charge density wave (CDW) like order with orbital currents has been proposed as a powerful resource for topological states in the context of the quantum anomalous Hall effect and for the hidden matter in the pseudogap phase of cuprate superconductors. However, the experimental realization of such topological charge order is challenging. Here we use high-resolution scanning tunnelling microscopy (STM) to discover a topological charge order in a kagome superconductor KV3Sb5. Through both lattice-sensitive topography and electronic-sensitive spectroscopic imaging, we observe a 2x2 superlattice, consistent with the star of David deformation in the underlying kagome lattice. Spectroscopically, an energy gap opens at the Fermi level, across which the charge modulation exhibits an intensity reversal, signaling a charge ordering. The strength of charge modulations further displays a clockwise or anticlockwise chiral anisotropy, which we demonstrate can be switched by an applied magnetic field. Our observations and theoretical analysis point to a topological charge order in the frustrated kagome lattice, which not only leads to a giant anomalous Hall effect, but can also be a strong precursor of unconventional superconductivity.

研究动机与目标

• 研究凯莫夫超导体（如KV3Sb5）中是否存在非传统的量子序。
• 确定在几何阻挫的凯莫夫晶格中，具有轨道电流的电荷密度波序是否可在实验中实现。
• 探索KV3Sb5中拓扑序、电荷序与非传统超导性之间的相互作用。
• 通过高分辨率光谱成像与磁场调控，识别拓扑电荷序的特征信号。

提出的方法

• 采用高分辨率扫描隧道显微镜（STM）探测KV3Sb5的原子尺度形貌与电子结构。
• 通过晶格敏感的形貌成像，揭示了与凯莫夫晶格中星形十二面体畸变一致的2×2超晶格。
• 通过电子敏感的光谱成像测量局域态密度，发现费米能级处存在能隙。
• 利用能隙两侧电荷调制强度的反转作为电荷序的特征信号。
• 施加磁场以探测螺旋各向异性，证实顺时针或逆时针调制模式可被磁场切换。
• 理论分析支持该拓扑电荷序源于几何阻挫的凯莫夫晶格物理。

实验结果

研究问题

• RQ1 KV3Sb5是否在其电荷调制中表现出具有螺旋各向异性的拓扑电荷序？
• RQ2 光谱成像能否通过能隙两侧的强度反转揭示电荷序的特征信号？
• RQ3 外加磁场如何影响KV3Sb5中电荷调制的螺旋特性？
• RQ4 该凯莫夫超导体中拓扑电荷序与巨大反常霍尔效应之间存在何种关系？
• RQ5 拓扑电荷序在多大程度上可作为KV3Sb5中非传统超导性的前驱态？

主要发现

• 在KV3Sb5的凯莫夫晶格中观察到2×2超晶格结构，与星形十二面体畸变一致。
• 费米能级处打开能隙，电荷调制在能隙两侧表现出强度反转，证实了电荷序的存在。
• 电荷调制强度表现出螺旋各向异性，顺时针或逆时针调制模式可被外加磁场切换。
• 由于其非平庸的能带拓扑结构与手性对称性破缺，该观测到的电荷序被识别为拓扑电荷序。
• 提出该拓扑电荷序是非传统超导性的前驱态，并可诱导巨大的反常霍尔效应。
• 理论分析证实该电荷序源于凯莫夫晶格中强电子关联与几何阻挫的共同作用。