[论文解读] Nature of charge density wave in kagome metal ScV6Sn6

Seongyong Lee, Choongjae Won+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究在kagome金属ScV6Sn6中识别出一种电荷密度波（CDW）形成的新型机制，该机制与经典的AV3Sb5体系不同。通过角分辨光电子能谱、声子计算及Cr掺杂实验，研究发现一个三维Sn主导的能带在260 meV处打开大能隙，驱动了√3×√3 CDW，而电子嵌套与范霍夫奇点的作用微乎其微，揭示了kagome材料中由结构驱动的CDW起源。

ABSTRACT

Kagome lattice materials offer a fertile ground to discover novel quantum phases of matter, ranging from unconventional superconductivity and quantum spin liquids to charge orders of various profiles. However, understanding the genuine origin of the quantum phases in kagome materials is often challenging, owing to the intertwined atomic, electronic, and structural degrees of freedom. Here, we combine angle-resolved photoemission spectroscopy, phonon mode calculation, and chemical doping to elucidate the driving mechanism of the root3*root3 charge order in a newly discovered kagome metal ScV6Sn6. In contrast to the case of the archetype kagome system AV3Sb5 (A= K, Rb, Cs), the van Hove singularities in ScV6Sn6 remain intact across the charge order transition, indicating a marginal role of the electronic instability from the V kagome lattice. Instead, we identified a three-dimensional band with dominant planar Sn character opening a large charge order gap of 260 meV and strongly reconstructing the Fermi surface. Our complementary phonon dispersion calculations further emphasize the role of the structural components other than the V kagome lattice by revealing the unstable planar Sn and Sc phonon modes associated to the root3*root3 phase. Finally, in the constructed phase diagram of Sc(V1-xCrx)6Sn6, the charge order remains robust in a wide doping range x = 0 ~ 0.10 against the Fermi level shift up to ~ 120 meV, further making the electronic scenarios such as Fermi surface or saddle point nesting unlikely. Our multimodal investigations demonstrate that the physics of ScV6Sn6 is fundamentally different from the canonical kagome metal AV3Sb5, uncovering a new mechanism to induce symmetry-breaking phase transition in kagome lattice materials.

研究动机与目标

• 确定新发现的kagome金属ScV6Sn6中√3×√3电荷密度波（CDW）的微观起源。
• 阐明V kagome晶格的电子不稳定性与结构自由度在CDW转变中何者占主导地位。
• 通过化学掺杂调节费米能级，检验CDW相的稳定性。
• 将ScV6Sn6中的CDW机制与广泛研究的AV3Sb5家族进行比较，识别其根本差异。

提出的方法

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测绘电子结构，并追踪CDW转变过程中的费米面重构。
• 通过声子色散计算识别与Sn和Sc平面中结构不稳定性相关的软模。
• 在Sc(V1−xCrx)6Sn6中对V位点进行Cr掺杂，实现高达120 meV的费米能级调节，以探测CDW的稳定性。
• 分析范霍夫奇点与费米面嵌套，评估其在驱动CDW中的作用。
• 结合多模态实验与计算技术，分析电子与结构贡献在CDW形成中的角色。
• 构建Sc(V1−xCrx)6Sn6的相图，评估CDW相在掺杂下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 ScV6Sn6中√3×√3电荷密度波的主导电子或结构起源是什么？其与AV3Sb5有何不同？
• RQ2 V kagome能带中的范霍夫奇点在ScV6Sn6的CDW不稳定性中起多大作用？
• RQ3 CDW转变过程中费米面如何演化？嵌套是否为关键驱动力？
• RQ4 声子模式——特别是涉及Sn和Sc的模式——在稳定CDW中扮演何种角色？
• RQ5 CDW相在Cr掺杂引起的费米能级偏移下具有多强的鲁棒性？

主要发现

• V kagome能带中的范霍夫奇点在CDW转变过程中基本保持不变，表明V晶格的电子不稳定性作用微弱。
• 一个以平面内Sn为主导的三维能带在260 meV处打开大的电荷序能隙，显著重构了费米面。
• 声子色散计算揭示了涉及平面内Sn和Sc原子的不稳定性模式，将CDW与V kagome晶格之外的结构畸变联系起来。
• CDW相在宽范围掺杂（x = 0至0.10）内保持稳定，即使费米能级偏移高达120 meV，排除了费米面或鞍点嵌套为主要驱动力的可能性。
• ScV6Sn6中的CDW与AV3Sb5中的CDW根本不同，其机制源于Sn和Sc的结构自由度，而非V能带嵌套。
• 研究结果为kagome材料中CDW形成建立了新范式，强调了非kagome位点原子及其晶格动力学的关键作用。