[论文解读] Geometry of the charge density wave in kagom${é}$ metal AV$_{3}$Sb$_{5}$

H. Miao, H. X. Li+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 14被引用 10

一句话总结

本研究将kagomé金属AV₃Sb₅中的电荷密度波（CDW）识别为一种反向戴维之星（ISD）晶格畸变，该畸变在kagomé平面中保持D₆h对称性，但因层间相位差而破坏六重旋转对称性（C₆）。利用XRD和STS数据，作者表明CDW诱导了一种类弱一阶结构相变，且无声子软化，解释了声学异常的缺失，并证实了强调制效应的存在。

ABSTRACT

Kagom${é}$ lattice is a fertile platform for topological and intertwined electronic excitations. Recently, experimental evidence of an unconventional charge density wave (CDW) is observed in a Z2 kagom${é}$ metal AV$_{3}$Sb$_{5}$ (A= K, Cs, Rb). This observation triggers wide interests on the interplay between frustrated crystal structure and Fermi surface instabilities. Here we analyze the lattice effect and its impact on CDW in AV$_{3}$Sb$_{5}$. Based on published experimental data, we show that the CDW induced structural distortions is consistent with the theoretically predicted inverse star-of-David pattern, which preserves the $D_{6h}$ symmetry in the kagom${é}$ plane but breaks the sixfold rotational symmetry of the crystal due to the phase shift between kagom${é}$ layers. The coupling between the lattice and electronic degrees of freedom yields a weak first order structural transition without continuous change of lattice dynamics. Our result emphasizes the fundamental role of lattice geometry in proper understanding of unconventional electronic orders in AV$_{3}$Sb$_{5}$.

研究动机与目标

• 利用实验衍射和光谱数据，确定AV₃Sb₅中电荷密度波（CDW）的几何本质。
• 解决观测到的CDW对称性破缺（C₆）与kagomé平面中保持的D₆h对称性之间的矛盾。
• 解释尽管存在强电子-声子耦合，AV₃Sb₅中为何在Q_CDW附近无声学声子异常。
• 阐明晶格畸变在驱动无连续晶格软化的一阶弱CDW相变中的作用。

提出的方法

• 使用密度泛函理论（DFT）和实验XRD/STS数据，对T_CDW以下的晶格畸变进行数值和解析分析。
• 将CDW诱导的结构畸变建模为反向戴维之星（ISD）图案，并与戴维之星（SD）和V形拉伸畸变进行比较。
• 利用原子形式因子和德拜-瓦勒因子计算衍射图案，整合kagomé层间的相位差。
• 采用2×2×2超原胞模型，层间具有π相位差，以模拟多域X射线散射和单域STS响应。
• 应用含电子-声子耦合产生的立方项的自由能模型，描述弱一阶相变。
• 将结果与实验XRD和STS数据进行验证，特别关注动量空间中的峰强和选择定则。

实验结果

研究问题

• RQ1 AV₃Sb₅中的CDW几何结构是什么？它如何与观测到的D₆h对称性和破缺的C₆对称性相协调？
• RQ2 尽管存在强电子-声子耦合，AV₃Sb₅为何在Q_CDW附近缺乏声学声子异常？
• RQ3 kagomé层间的层间相位差如何影响CDW超晶格峰强和选择定则？
• RQ4 CDW相变的本质是连续的还是第一阶的？它如何受晶格-CDW耦合的影响？
• RQ5 ISD畸变图案能否解释实验观测到的2×2×2超结构和衍射峰强？

主要发现

• AV₃Sb₅中的CDW最适于用反向戴维之星（ISD）晶格畸变来描述，该畸变在kagomé平面中保持D₆h对称性。
• 六重旋转对称性（C₆）因kagomé层间存在π相位差而被破坏，解释了观测到的手性CDW或电子向列性。
• CDW诱导的结构相变为弱一阶相变，由电子-声子耦合产生的自由能中的立方项驱动。
• Q_CDW附近无声学声子异常是由于强调制效应所致，而非电子-声子耦合微弱。
• ISD畸变的模拟衍射图案与实验XRD和STS数据一致，包括相对峰强和选择定则。
• 多域X射线测量再现了2×2 CDW图案，而单域STS显示了禁戒峰（如(0.5, 0, 0)），这是由于相位相干性所致。