[论文解读] Observation of electronic nematicity driven by three-dimensional charge density wave in kagome lattice KV$_3$Sb$_5$

Zhicheng Jiang, Haiyang Ma+15 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2022

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 5

一句话总结

本研究揭示，凯莫夫超导体KV3Sb5中的电子向列性源于层间具有π相位偏移的三维2×2×2电荷密度波（CDW），该CDW破坏了从C6到C2的旋转对称性。通过微米尺度角分辨光电子能谱（ARPES）与第一性原理计算，作者在一种平面CDW波矢方向上观测到单向的反折叠能带，直接将向列态与CDW的层间耦合联系起来，为非传统超导性和巨大反常霍尔效应的起源提供了关键见解。

ABSTRACT

Kagome superconductors AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Rb, Cs) provide a fertile playground for studying intriguing phenomena, including non-trivial band topology, superconductivity, giant anomalous Hall effect and charge density wave (CDW). Recently, a $C_2$ symmetric nematic phase prior to the superconducting state in AV$_3$Sb$_5$ drew enormous attention due to its potential inheritance of the symmetry of the unusual superconductivity. However, direct evidence on the rotation symmetry breaking of the electronic structure in the CDW state from the reciprocal space is still rare, and the underlying mechanism remains ambiguous. The observation shows unconventional unidirectionality, indicative of rotation symmetry breaking from six-fold to two-fold. The interlayer coupling between adjacent planes with $π$-phase offset in the 2$ imes$2$ imes$2 CDW phase leads to the preferred two-fold symmetric electronic structure. These rarely observed unidirectional back-folded bands in KV$_3$Sb$_5$ may provide important insights into its peculiar charge order and superconductivity.

研究动机与目标

• 为解决长期以来关于凯莫夫超导体KV3Sb5在CDW相中电子结构对称性的争议。
• 从动量空间直接提供电子能带结构旋转对称性破缺的实验证据。
• 揭示AV3Sb5中电子向列性的微观起源，特别是其与三维电荷密度波序的关联。
• 阐明在具有π相位偏移的2×2×2 CDW相中，层间耦合如何导致C2对称性的电子向列性。

提出的方法

• 采用微米尺度空间分辨角分辨光电子能谱（ARPES）映射KV3Sb5在CDW转变温度附近的电子能带结构。
• 通过第一性原理计算模拟2×2×2 CDW相中的电子结构及层间耦合效应。
• 利用高分辨率X射线衍射（XRD）确认CDW相的结构参数与超晶格周期性。
• 对层间耦合哈密顿量进行理论分析，聚焦于特定倒空间矢量（Q1、Q2、Q3）处的散射振幅，以解释各向异性能带反折叠现象。
• 沿高对称方向（如−M1−Γ−M1等）展开谱函数，以可视化CDW诱导的能带重构效应。
• 构建连续体模型，引入有效质量与层间耦合项（V0、V1、V2），以模拟观测到的向列能带结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 KV3Sb5的CDW相中电子结构的对称性是什么？其是否从C6破缺至C2？
• RQ2 具有层间π相位偏移的三维2×2×2 CDW如何影响电子能带结构？
• RQ3 ARPES谱中观测到的单向能带反折叠的起源是什么？
• RQ4 CDW态中的层间耦合能否解释电子向列性的出现？
• RQ5 该向列电子态与AV3Sb5中观测到的超导性及巨大反常霍尔效应有何关联？

主要发现

• ARPES测量直接观测到沿三个等效2×2平面CDW波矢方向之一的单向能带反折叠，证实了从C6到C2的旋转对称性破缺。
• 向列态源于具有π相位偏移的相邻层之间在三维2×2×2 CDW相中的层间耦合。
• 理论建模表明，沿Q3−Q2方向（对应晶格矢量a）的散射振幅最强，解释了单向能带反折叠的偏好性。
• 层间耦合项V_inter(Q)具有各向异性，其中V2 > V1，这是由于特定方向上更强的晶格势调制，导致C2对称的电子结构。
• 观测到的向列性是CDW态的本征性质，而非由外部杂质或表面效应引起，这一点通过空间分辨测量得到证实。
• 研究结果直接建立了三维CDW序与电子向列性出现之间的联系，为凯莫夫金属中非传统超导性与巨大反常霍尔效应的机制提供了新见解。