[论文解读] Emergence of new van Hove singularities in the charge density wave state of a topological kagome metal RbV3Sb5

Soohyun Cho, Haiyang Ma+12 more|PubMed|May 11, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 12

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱和从头算计算，证明在拓扑kagome金属RbV3Sb5中，电荷密度波（CDW）转变诱导了费米能级附近新范霍夫奇点的出现，这些奇点在正常相中不存在，且与态密度的显著增强相关。这些新形成的奇点与低温下超导性的出现相关，揭示了kagome体系中CDW和超导序的微观关键机制。

ABSTRACT

Quantum materials with layered kagome structures have drawn considerable attention due to their unique lattice geometry, which gives rise to flat bands together with Dirac-like dispersions. Recently, vanadium-based materials with layered kagome structures were discovered to be topological metals, which exhibit charge density wave (CDW) properties, significant anomalous Hall effect, and unusual superconductivity at low temperatures. Here, we employ angle-resolved photoemission spectroscopy to investigate the electronic structure evolution upon the CDW transition in a vanadium-based kagome material RbV_{3}Sb_{5}. The CDW phase transition gives rise to a partial energy gap opening at the boundary of the Brillouin zone and, most importantly, the emergence of new van Hove singularities associated with large density of states, which are absent in the normal phase and might be related to the superconductivity observed at lower temperatures. Our work sheds light on the microscopic mechanisms for the formation of the CDW and superconducting states in these topological kagome metals.

研究动机与目标

• 研究拓扑kagome金属RbV3Sb5中电荷密度波（CDW）转变诱导的电子结构演化。
• 确定CDW相中能带重整化和新电子特征的起源。
• 确定CDW态中是否出现新的范霍夫奇点及其在超导性中的潜在作用。
• 阐明通过费米面电荷涨落和软模驱动CDW形成的微观机制。

提出的方法

• 在上海光源（SSRF）和国家蛋白质设施（NSRL）的03U和13U束线进行高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）实验，以探测解理RbV3Sb5单晶的电子结构。
• 采用VASP软件进行从头算密度泛函理论（DFT）计算，使用PBE泛函和投影缀加势，包含自旋轨道耦合。
• 在DFT计算中采用2×2反向戴维斯星形（ISD）超胞以模拟CDW态并再现观测到的能带重整化。
• 利用PHONOPY软件通过密度泛函微扰理论（DFPT）计算声子谱，识别与CDW形成相关的软模。
• 通过Wannier插值能带计算联合态密度（DOS），分析费米能级附近轨道和能带贡献的作用。
• 在连接相邻鞍点的波矢处分析费米面电荷涨落，以识别驱动CDW转变的不稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RbV3Sb5的CDW态中是否会出现正常相中不存在的新范霍夫奇点？
• RQ2 CDW转变如何改变RbV3Sb5中的能带色散和费米面拓扑结构？
• RQ3 该kagome金属体系中CDW不稳定的微观起源是什么？
• RQ4 新形成的范霍夫奇点与低温下超导性的出现之间有何关联？
• RQ5 基于ISD超结构的从头算计算能否再现CDW相中观测到的ARPES特征？

主要发现

• 在CDW态中，费米能级附近出现部分能隙，与电荷有序基态的形成一致。
• 在CDW相中，K点和M点附近观察到显著的能带重整化，表明存在强电子关联。
• 在CDW态中，费米能级附近出现新的范霍夫奇点，这些奇点在正常相中不存在，且与态密度的大幅增强相关。
• 通过采用2×2反向戴维斯星形超胞的从头算计算，完全捕捉到了这些奇点的出现。
• 连接相邻鞍点的波矢处的费米面电荷涨落与软声子模协同作用，驱动CDW转变。
• 由于新范霍夫奇奇点导致费米能级附近态密度增强，可能为低温下观测到的超导性提供了微观起源。