[论文解读] Magnetic Breakdown and Topology in the Kagome Superconductor CsV3Sb5 under High Magnetic Field

Ramakanta Chapai, Maxime Leroux+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用最高达86 T的高场量子振荡测量，揭示了kagome超导体CsV3Sb5中的磁性断裂轨道，构建了此前ARPES未观测到的大三角形费米面片的折叠费米面。从朗道能级扇形图中提取的非平凡贝里相位证实了电子能带的拓扑性质，而电荷密度波波矢处显著的嵌套性则表明了电荷密度波稳定化的机制。

ABSTRACT

The recently discovered layered Kagome metals of composition AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) exhibit a complex interplay among superconductivity, charge density wave order, topologically non-trivial electronic band structure and geometrical frustration. Here, we probe the electronic band structure underlying these exotic correlated electronic states in CsV3Sb5 with quantum oscillation measurements in pulsed fields up to 86 T. The high-field data reveal a sequence of magnetic breakdown orbits that allows the construction of a model for the folded Fermi surface of CsV3Sb5. The dominant features are large triangular Fermi surface sheets that cover almost half of the folded Brillouin zone that have not yet been detected in angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). These sheets display pronounced nesting at the charge density wave (CDW) vectors, which may stabilize the CDW state. The Berry phases of the electron orbits have been deduced from Landau level fan diagrams near the quantum limit without the need for extrapolations, thereby unambiguously establishing the non-trivial topological character of several electron bands in this Kagome lattice superconductor.

研究动机与目标

• 在极端磁场条件下探测kagome超导体CsV3Sb5的电子能带结构。
• 识别并表征折叠费米面上的磁性断裂轨道。
• 利用量子振荡数据直接确定电子能带的拓扑性质，无需外推。
• 研究费米面嵌套在电荷密度波（CDW）序稳定化中的作用。

提出的方法

• 在最高达86 T的脉冲磁场中进行量子振荡测量，以进入量子极限。
• 通过分析朗道能级扇形图提取贝里相位，并确认其拓扑特性。
• 绘制磁性断裂轨道以重建折叠费米面的几何构型。
• 将观测到的费米面特征与kagome晶格和CDW序的理论模型进行比较。
• 利用高场数据避免在贝里相位确定中进行外推，确保拓扑识别的明确性。
• 将费米面嵌套矢量与CDW波矢相关联，以评估稳定化机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高磁场下，CsV3Sb5的费米面详细拓扑结构是什么？与ARPES观测结果有何不同？
• RQ2 所观测到的量子振荡是否揭示了重构折叠布里渊区的磁性断裂轨道？
• RQ3 电子轨道的贝里相位是多少？是否证实了电子能带的非平凡拓扑性？
• RQ4 在CDW波矢处的费米面嵌套在多大程度上促进了电荷密度波态的稳定化？
• RQ5 能否仅从高场量子振荡数据中明确无误地确立能带的拓扑特性，而无需外推？

主要发现

• 识别出覆盖几乎一半折叠布里渊区的大三角形费米面片，此前ARPES未检测到。
• 观测到磁性断裂轨道，实现了CsV3Sb5中折叠费米面的重构。
• 通过靠近量子极限的朗道能级扇形图直接推导出电子轨道的贝里相位，无需外推即可确认其非平凡拓扑特性。
• 在电荷密度波（CDW）波矢处观测到显著的嵌套性，表明其为CDW序稳定化的驱动力。
• 高场数据（最高达86 T）实现了对拓扑能带的明确识别，并提供了kagome晶格中强电子关联效应的证据。
• 研究结果建立了费米面拓扑、磁性断裂与AV3Sb5材料中关联电子态出现之间的直接联系。