[论文解读] Fermi surface mapping and the nature of charge density wave order in the kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$

Brenden R. Ortiz, Samuel M. L. Teicher+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 32被引用 89

一句话总结

该研究使用量子振荡、DFT 和衍射来展示 CDW 引发的 CsV3Sb5 的费米面重构，鉴定了以钒为主导的类狄拉克口袋和一个具有 SoD/TrH 失配的 2×2×4 CDW。

ABSTRACT

The recently discovered family of AV$_3$Sb$_5$ (A: K, Rb Cs) kagome metals possess a unique combination of nontrivial band topology, superconducting ground states, and signatures of electron correlations manifest via competing charge density wave order. Little is understood regarding the nature of the charge density wave (CDW) instability inherent to these compounds and the potential correlation with the accompanying onset of a large anomalous Hall response. To understand the impact of the CDW order on the electronic structure in these systems, we present quantum oscillation measurements on single crystals of CsV$_3$Sb$_5$. Our data provides direct evidence that the CDW invokes a substantial reconstruction of the Fermi surface pockets associated with the vanadium orbitals and the kagome lattice framework. In conjunction with density functional theory modeling, we are able to identify split oscillation frequencies originating from reconstructed pockets built from vanadium orbitals and Dirac-like bands. Complementary diffraction measurements are further able to demonstrate that the CDW instability has a correlated phasing between neighboring V$_3$Sb$_5$ planes. These results provide critical insights into the underlying CDW instability in AV$_3$Sb$_5$ kagome metals and support minimal models of CDW order arising from within the vanadium-based kagome lattice.

研究动机与目标

• 研究电荷密度波有序如何影响 CsV3Sb5 的电子结构。
• 确定 CDW 的维度特征与三维相位关系。
• 确定在 kagome V 晶格上驱动 CDW 形成的原子轨道和晶格畸变。

提出的方法

• 对 CsV3Sb5 单晶进行 Shubnikov–de Haas 量子振荡测量，以分辨多重费米面口袋。
• 使用包含 PBE-D3、自旋轨道耦合以及 Wannier90 的 DFT 计算，得到 SoD 与 TrH 模式的畸变结构与展开费米面。
• 展开超胞带结构以与实验振荡频率比较，并通过 Lifshitz-Kosevich 分析提取圆周质量。
• 使用同步辐射 X 射线衍射来绘制 3D 超晶格峰并在 P-3 中精确 CDW 结构，揭示 c 轴相位。
• 使用二次谐波生成来测试 CDW 转变中的反演对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDW 有序对 CsV3Sb5 的费米面，尤其是钒源的类狄拉克带，有何影响？
• RQ2 CsV3Sb5 中 CDW 的三维特征和堆叠顺序是什么？
• RQ3 CDW 状态实现了哪些晶格畸变（SoD 与 TrH），以及它们如何影响电子结构？
• RQ4 最小的基于 kagome 的紧束缚模型能否捕捉到实验观测到的 CDW 引起的重构？

主要发现

• CDW 重构费米面，特别是在 M 点附近的钒源类狄拉克带。
• 低频量子振荡来自重构的钒轨道，圆周质量极小，与狄拉克样口袋一致。
• DFT 加上展开显示 SoD 与 TrH 失真稳定 CDW，并产生 2×2×4 的超晶体结构，V–V 键长差异化。
• 费米面重构保留部分高频口袋，但根据畸变（SoD 与 TrH）而抹去其他口袋。
• X 射线衍射指示具有 (0.5,0.5,0.25) 波矢的 3D CDW 相位；SHG 显示在 CDW 起始以下反演对称性保持完好。