[论文解读] Superconductivity and orbital-selective nematic order in a new titanium-based kagome metal CsTi3Bi5

Haitao Yang, Yuhan Ye+18 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 16

一句话总结

本研究报道了新型钛基kagome金属单晶CsTi3Bi5的合成，其在Tc ≈ 4.8 K时表现出超导性，并呈现出明显的轨道选择性向列态。与AV3Sb5型kagome超导体不同，该体系保持了平动对称性，但通过电子向列序破坏了旋转对称性，主要由Ti的dxz和dyz轨道驱动，该结论通过角依赖磁阻测量和扫描隧道显微镜中的准粒子干涉图案得到证实。

ABSTRACT

Fabrication of new types of superconductors with novel physical properties has always been a major thread in the research of superconducting materials. An example is the enormous interests generated by the cascade of correlated topological quantum states in the newly discovered vanadium-based kagome superconductors AV3Sb5 (A=K, Rb, and Cs) with a Z2 topological band structure. Here we report the successful fabrication of single-crystals of titanium-based kagome metal CsTi3Bi5 and the observation of superconductivity and electronic nematicity. The onset of the superconducting transition temperature Tc is around 4.8 K. In sharp contrast to the charge density wave superconductor AV3Sb5, we find that the kagome superconductor CsTi3Bi5 preserves translation symmetry, but breaks rotational symmetry and exhibits an electronic nematicity. The angular-dependent magnetoresistivity shows a remarkable two-fold rotational symmetry as the magnetic field rotates in the kagome plane. The scanning tunneling microscopy and spectroscopic imaging detect rotational-symmetry breaking C2 quasiparticle interference patterns (QPI) at low energies, providing further microscopic evidence for electronic nematicity. Combined with first-principle calculations, we find that the nematic QPI is orbital-selective and dominated by the Ti dxz and dyz orbitals, possibly originating from the intriguing orbital bond nematic order. Our findings in the new "135" material CsTi3Bi5 provide new directions for exploring the multi-orbital correlation effect and the role of orbital or bond order in the electron liquid crystal phases evidenced by the symmetry breaking states in kagome superconductors.

研究动机与目标

• 为研究其电子性质，合成高质量的CsTi3Bi5新型kagome金属单晶。
• 研究该钛基kagome体系中是否存在超导性及对称性破缺的电子态。
• 确定在无电荷密度波序的情况下，电子向列性是否如AV3Sb5材料中所见那样出现。
• 通过实验与理论分析相结合，确定导致向列序的轨道特征及其微观起源。

提出的方法

• 采用助熔剂法生长CsTi3Bi5单晶，以获得高结构质量。
• 通过测量角依赖磁阻，探测平面内磁场下旋转对称性的破缺。
• 在低温下利用扫描隧道显微镜和光谱成像获取准粒子干涉（QPI）图案。
• 通过第一性原理电子结构计算分析向列态的轨道特征与对称性。
• 将实验观测到的向列性与理论预测进行比较，以识别轨道选择性键合序。
• 通过电阻率和磁化率测量分析超导转变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 钛基kagome金属CsTi3Bi5是否表现出超导性，其临界温度为多少？
• RQ2 CsTi3Bi5中是否存在电子向列序，其是否在不破坏平动对称性的前提下破坏了旋转对称性？
• RQ3 哪些原子轨道主导了向列准粒子干涉，且该向列性是否具有轨道选择性？
• RQ4 向列序的微观起源是什么——具体而言，是否由轨道键向列性驱动？
• RQ5 CsTi3Bi5中的向列态与AV3Sb5型kagome超导体中的向列态有何异同？

主要发现

• CsTi3Bi5表现出超导性，其转变温度Tc ≈ 4.8 K，该结果由电阻率和磁化率测量确认。
• 该体系表现出电子向列性，在角依赖磁阻中呈现清晰的二重旋转对称性，表明C4旋转对称性被破坏。
• 扫描隧道显微镜观测到低能量下具有C2对称性的准粒子干涉图案，为向列序提供了直接的微观证据。
• 向列准粒子干涉主要具有轨道选择性，源于Ti的dxz和dyz轨道，该结论由第一性原理计算证实。
• 向列序归因于轨道键向列态，其中dxz和dyz轨道表现出优先成键，从而在不形成电荷密度波的情况下破坏旋转对称性。
• 该体系保持了平动对称性，与AV3Sb5型kagome超导体相区别，凸显了关联kagome金属中向列性的一种新机制。