[论文解读] Optical spectroscopy and band structure calculations of structural phase transition in the Vanadium-based kagome metal ScV$_6$Sn$_6$

Tianchen Hu, Pi, Hanqi+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 13

一句话总结

本研究通过光学光谱和第一性原理能带结构计算，探究了kagome金属ScV6Sn6中的首阶结构相变。结果揭示了在无能隙形成的情况下能带结构发生突变，表明该相变由晶格不稳定性驱动，而非传统的费米面嵌套或CDW凝聚，从而与相关的AV3Sb5体系相区别。

ABSTRACT

In condensed matter physics, materials with kagome lattice display a range of exotic quantum states, including charge density wave (CDW), superconductivity and magnetism. Recently, the intermetallic kagome metal ScV6Sn6 was discovered to undergo a first-order structural phase transition with the formation of a root3xroot3x3 CDW at around 92 K. The bulk electronic band properties are crucial to understanding the origin of the structural phase transition. Here, we conducted an optical spectroscopy study in combination with band structure calculations across the structural transition. Our findings showed abrupt changes in the optical reflectivity/conductivity spectra as a result of the structural transition, without any observable gap formation behavior. The optical measurements and band calculations actually reveal a sudden change of the band structure after transition. It is important to note that this phase transition is of the first-order type, which distinguishes it from conventional density-wave type condensations. Our results provide an insight into the origin of the structural phase transition in this new and unique kagome lattice.

研究动机与目标

• 理解钒基kagome金属ScV6Sn6中首阶结构相变的起源。
• 确定该相变是否由传统的费米面嵌套或电子-声子耦合驱动。
• 阐明电子能带结构变化在相变中的作用，特别是在无CDW能隙的情况下。
• 将ScV6Sn6中的相变机制与AV3Sb5体系进行比较，后者中CDW与超导共存。
• 通过光学与能带结构分析，确认该相变为首阶类型。

提出的方法

• 在单晶ScV6Sn6中进行温度依赖的光学反射率与电导率测量，覆盖92 K的相变温度区间。
• 采用密度泛函理论（DFT）进行第一性原理能带结构计算，分析电子态与费米面拓扑结构。
• 计算电荷磁化率χ′₀(q)与χ′′₀(q)的实部与虚部，以探究费米面嵌套在驱动CDW形成中的作用。
• 分析谱权重新分布与Drude响应，以检测相变前后载流子密度与散射率的变化。
• 将光学响应与AV3Sb5体系进行对比，突出相变行为的差异。
• 在分析中采用波矢q = (1/3, 1/3, 1/3)来模拟观测到的√3×√3×3 CDW调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于光学与电子结构数据，ScV6Sn6中的结构相变是首阶还是二阶？
• RQ2 该相变是否涉及CDW不稳定性典型的渐进能隙打开，还是纯粹为结构相变？
• RQ3 在ScV6Sn6中，费米面嵌套是否为CDW形成的主驱动因素，如同在AV3Sb5体系中一样？
• RQ4 光学谱与能带结构如何随相变演化？它们揭示了何种电子响应特性？
• RQ5 为何ScV6Sn6表现出首阶相变且无超导性，而其AV3Sb5类似物却具有超导性？

主要发现

• 光学反射率与电导率谱在约92 K处表现出突变，且无可观测的能隙形成，表明该相变为首阶相变，而非传统的CDW凝聚。
• 能带结构在相变过程中发生突然重构，经第一性原理计算证实，且无渐进的谱权重新分布。
• 通过χ′₀(q)与χ′′₀(q)计算进行的费米面嵌套分析显示，在CDW波矢(1/3,1/3,1/3)处无增强，排除了传统嵌套作为驱动机制的可能性。
• 尽管自由载流子密度减少，低温相中的散射率反而降低，导致金属行为改善。
• 缺乏CDW振幅模与谱权转移，使ScV6Sn6与AV3Sb5体系相区别，后者中可观察到这些特征。
• 结果表明，该相变由与费米面附近奇异鞍点相关的晶格不稳定性驱动，而非电子-声子耦合或嵌套。