[论文解读] Quantum transport evidence of topological band structures of kagome superconductor CsV3Sb5

Yang Fu, Ningning Zhao+9 more|PubMed|Apr 16, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 13

一句话总结

本研究通过高达32 T的高场肖伯尼科夫-德哈斯（SdH）振荡测量，首次在kagome超导体CsV₃Sb₅中直接提供了非平庸拓扑能带结构的量子输运证据。在L和K/H点处费米面轨道观测到的贝里相位接近π，证实了电荷密度波（CDW）态中非平庸的拓扑电子态，理论建模进一步支持了反向六角星（ISD）晶格畸变为最稳定结构。

ABSTRACT

We report the transport properties of kagome superconductor CsV_{3}Sb_{5} single crystals at magnetic field up to 32 T. The Shubnikov-de Haas oscillations emerge at low temperature and four frequencies of F_{α}=27 T, F_{β}=73 T, F_{ε}=727 T, and F_{η}=786 T with relatively small cyclotron masses are observed. For F_{β} and F_{ε}, the Berry phases are close to π, providing clear evidence of nontrivial topological band structures of CsV_{3}Sb_{5}. Furthermore, the consistence between theoretical calculations and experimental results implies that these frequencies can be assigned to the Fermi surfaces locating near the boundary of Brillouin zone and confirms that the structure with an inverse Star of David distortion could be the most stable structure at charge density wave state. These results will shed light on the nature of correlated topological physics in kagome material CsV_{3}Sb_{5}.

研究动机与目标

• 研究kagome超导体CsV₃Sb₅在电荷密度波（CDW）态下的拓扑电子结构。
• 通过高场量子输运测量，确定费米面（FS）极值轨道的性质及其拓扑特征。
• 利用理论建模与实验SdH数据相结合，验证CDW相中反向六角星（ISD）晶格畸变的稳定性。
• 阐明关联kagome材料中拓扑能带结构、回旋质量与贝里相位之间的关系。

提出的方法

• 在高达32 T的磁场下对单晶CsV₃Sb₅进行高精度输运测量，重点关注ab面电阻率ρₓₓ。
• 分析肖伯尼科夫-德哈斯（SdH）量子振荡，以提取费米面频率（F）、有效回旋质量（m*）和贝里相位（ϕ_B）。
• 基于包含反向六角星（ISD）畸变的三维布里渊区，对费米面截面进行理论建模，以模拟极值轨道。
• 将实验测得的SdH频率和贝里相位与基于ISD结构的第一性原理计算预测结果进行比较。
• 测量SdH频率的角依赖性，以确认费米面口袋的形状与取向，特别是F_β。
• 通过从ρₓₓ(μ₀H)中减去光滑背景，提取振荡分量Δρₓₓ，以增强信号清晰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsV₃Sb₅中观测到的SdH振荡是否表明CDW态中存在非平庸的拓扑能带结构？
• RQ2 观测到的费米面频率（F_α = 27 T，F_β = 73 T，F_ε = 727 T，F_η = 786 T）的来源是什么？它们如何与费米面拓扑相关？
• RQ3 针对特定费米面轨道（F_β和F_ε）测得的贝里相位是否趋近于π，从而为拓扑非平庸性提供证据？
• RQ4 反向六角星（ISD）晶格畸变是否为CDW态中最稳定的结构相，其理论与实验的一致性是否支持此结论？
• RQ5 在三维2×2×2超晶格中沿c轴的晶格畸变如何影响费米面及观测到的SdH频率？

主要发现

• 观测到四种不同的SdH振荡频率：F_α = 27 T，F_β = 73 T，F_ε = 727 T，F_η = 786 T，表明存在多个费米面口袋。
• 这些轨道的有效回旋质量（m*）较小，其中F_β的m* ≈ 0.142(4) mₑ，表明在L点附近具有线性色散关系。
• F_β和F_ε轨道的贝里相位ϕ_B接近π（分别为1.01π和0.98π），为非平庸拓扑能带结构提供了直接证据。
• 基于ISD畸变结构的理论计算成功再现了实验SdH频率趋势和角依赖性，证实了F_β对应于L点处的椭球形口袋。
• 实验与理论的一致性支持反向六角星（ISD）畸变为CsV₃Sb₅在CDW态中最稳定的结构。
• 在A点附近的费米面表现出大的六边形截面，其在k_z = 0平面内呈现不连续性，与ARPES和能带结构预测一致。