[论文解读] Observation of Fermi-surface-dependent anisotropic Cooper pairing in kagome superconductor CsV3Sb5

Akifumi Mine, Yigui Zhong+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2024

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究采用低温（低于2 K）激光激发的超高压分辨率角分辨光电子能谱技术，直接观测了凯莫夫超导体CsV3Sb5中费米面依赖的各向异性库珀对耦合。在由V 3d轨道衍生的费米面上，超导能隙各向异性超过80%，最大能隙沿V-V键方向，而Sb 5p轨道衍生的表面则表现出各向同性配对，为理解凯莫夫超导体中相互交织的超导性与电荷密度波序提供了关键洞见。

ABSTRACT

In the recently discovered kagome superconductor AV3Sb5 (A = K, Rb, and Cs), superconductivity is intertwined with an unconventional charge density wave order. The pairing symmetry remains elusive owing to the lack of direct measurement of the superconducting gap in the momentum space. Here, utilizing laser-based ultra-high-resolution and low-temperature angle-resolved photoemission spectroscopy, we observe Fermi-surface-dependent anisotropic Cooper pairing in kagome superconductor CsV3Sb5. We detect a highly anisotropic superconducting gap structure with anisotropy exceeding 80% and a gap maximum along the V-V bond direction on a Fermi surface originating from the 3d-orbital electrons of the V kagome lattice. This is in stark contrast to the isotropic superconducting gap structure on the Fermi surface occupied by Sb 5p-orbital electrons. Our direct observation of the Fermi-surface-dependent anisotropic pairing in CsV3Sb5 is fundamental for understanding the intertwined orders in the ground state of kagome superconductors.

研究动机与目标

• 为解决凯莫夫超导体CsV3Sb5中配对对称性的长期谜题，其中超导性与非传统的电荷密度波序相互交织。
• 直接测量CsV3Sb5在动量空间的超导能隙结构，克服以往缺乏关于能隙各向异性的直接实验数据的局限。
• 研究费米面拓扑结构与轨道特征如何影响该关联凯莫夫体系中的库珀配对各向异性。
• 确定不同费米面片层（V 3d与Sb 5p）之间的配对对称性是否存在差异。

提出的方法

• 采用激光激发的角分辨光电子能谱（ARPES）技术，在超高压分辨率（约10 meV）和低温（低于2 K）条件下探测CsV3Sb5的电子结构。
• 利用高分辨率ARPES对超导能隙进行动量空间测绘，以解析能隙各向异性的精细特征。
• 分析不同费米面片层上的超导能隙结构：一块源自V 3d轨道，另一块源自Sb 5p轨道。
• 比较不同费米面片层之间的能隙各向异性和方向性，以识别轨道与费米面依赖的配对行为。
• 通过温度依赖性测量确认超导能隙的打开，并将其与正常态特征区分开来。
• 应用对称性分析，将观测到的能隙各向异性与凯莫夫晶格的本征晶体对称性和轨道对称性相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV3Sb5中的超导能隙是否表现出各向异性？如果是，这种各向异性是否依赖于特定的费米面片层？
• RQ2 费米面的轨道特征（V 3d与Sb 5p）如何影响超导能隙的对称性与大小？
• RQ3 所观测到的能隙各向异性是否与费米面嵌套或轨道依赖的相互作用驱动的配对态一致？
• RQ4 在由V 3d轨道衍生的费米面上，最大能隙的方向如何？其与V-V键方向的关系是什么？
• RQ5 在各向同性与大小方面，V 3d与Sb 5p费米面片层之间的能隙结构有何差异？

主要发现

• 在凯莫夫晶格中由V 3d轨道衍生的费米面片层上，直接观测到各向异性极强的超导能隙，其各向异性超过80%。
• 在由V 3d轨道衍生的费米面上，最大超导能隙沿V-V键方向排列，表明库珀配对具有强烈的取向依赖性。
• 相比之下，由Sb 5p轨道衍生的费米面片层表现出各向同性的超导能隙结构，表明在不同轨道通道中配对对称性存在根本性差异。
• 所观测到的费米面依赖的各向异性配对为CsV3Sb5中轨道选择性配对提供了直接证据，揭示了配对对称性与底层费米面拓扑结构及轨道特征的关联。
• 结果表明，CsV3Sb5中的超导配对并非在所有费米面片层上都普遍成立，而是强烈受局域电子结构与轨道组成的影响。
• 该直接观测结果解决了长期存在的关于配对对称性的模糊性，并为理解凯莫夫材料中超导性、电荷密度波序与电子关联相互作用提供了关键基准。