[论文解读] Flat bands and distinct density wave orders in correlated Kagome superconductor CsCr$_3$Sb$_5$

Shuting Peng, Yulei Han+16 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2024

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）和第一性原理计算，调查了具有相关性的凯戈麦超导体CsCr₃Sb₅，揭示了费米能级附近存在平坦的电子能带。研究证明，Cr掺杂可增强电子关联效应，并诱导出具有空间对称性破缺的特征性密度波序，确立了CsCr₃Sb₅作为研究具有本征磁性与强关联效应的非传统超导性的平台。

ABSTRACT

Kagome metal CsV$_3$Sb$_5$ has attracted much recent attention due to the coexistence of multiple exotic orders and the associated proposals to mimic unconventional high temperature superconductors. Nevertheless, magnetism and strong electronic correlations -- two essential ingredients for unconventional superconductivity, are absent in this V-based Kagome metal. CsCr$_3$Sb$_5$ is a newly discovered Cr-based parallel of CsV$_3$Sb$_5$, in which magnetism appears with charge density wave and superconductivity at different temperature and pressure regions. Enhanced electronic correlations are also suggested by theoretical proposals due to the calculated flat bands. Here, we report angle-resolved photoemission measurements and first-principles calculations on this new material system. Electron energy bands and the associated orbitals are resolved. Flat bands are observed near the Fermi level. Doping dependent measurements on Cs(Cr$_x$V$_{1-x}$)$_3$Sb$_5$ reveal a gradually enhanced band renormalization from CsV$_3$Sb$_5$ to CsCr$_3$Sb$_5$, accompanied by distinct spatial symmetry breaking states in the phase diagram.

研究动机与目标

• 研究新发现的基于Cr的凯戈麦超导体CsCr₃Sb₅的电子结构。
• 确定电子关联效应和轨道特性在材料电子响应中的作用。
• 探索Cs(CrₓV₁₋ₓ)₃Sb₅中Cr掺杂对电子能带和对称性破缺态的影响。
• 建立磁性活性凯戈麦体系中平坦能带、电荷密度波与超导性之间的相互作用关系。
• 提供实验与理论证据，证明在相关凯戈麦金属中电子关联效应增强及存在特征性密度波序。

提出的方法

• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）直接测绘费米能级附近的电子能带结构和轨道组成。
• 进行第一性原理计算，模拟电子能带结构并验证观测到的平坦能带。
• 在Cs(CrₓV₁₋ₓ)₃Sb₅上开展掺杂依赖的ARPES测量，追踪能带重正则化和对称性破缺的变化。
• 通过动量空间中谱强度的映射分析所观测到的密度波态的空间对称性。
• 将实验测得的能带色散与理论预测进行比较，评估电子关联程度和能带平坦度。
• 将特征性密度波序的出现与Cr含量的增加及磁性的出现相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsCr₃Sb₅中电子能带结构的性质是什么，特别是平坦能带的存在及其起源是什么？
• RQ2 在Cs(V,Cr)₃Sb₅固溶体中，电子关联效应如何随Cr掺杂而演化？
• RQ3 所观测到的密度波序的对称性特征和空间周期性是什么？
• RQ4 平坦能带和对称性破缺态如何与超导性和磁性的共存相关？
• RQ5 第一性原理计算在多大程度上再现了实验ARPES数据，并能预测电子关联效应？

主要发现

• 在CsCr₃Sb₅中，实验观测到费米能级附近存在平坦能带，表明存在强电子关联效应。
• 掺杂依赖的ARPES显示，从CsV₃Sb₅到CsCr₃Sb₅，能带重正则化逐渐增强，表明电子关联效应增强。
• 在相图中识别出具有不同空间对称性破缺的特征性状态，与不同的密度波序相关。
• 理论计算支持平坦能带的存在，并证实Cr 3d轨道在形成这些平坦色散中的关键作用。
• 在单一凯戈麦晶格体系中，磁性、电荷密度波与超导性的共存关系得以确立。
• 该体系表现出丰富的相图，存在多种竞争序，其驱动力为Cr基变体中的增强关联效应。