[论文解读] The effect of the interlayer ordering on the Fermi surface of Kagome superconductor CsV$_3$Sb$_5$ revealed by quantum oscillations

Christopher Broyles, David Graf+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2022

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 4

一句话总结

本研究通过高场量子振荡测量，证明了凯戈麦超导体CsV₃Sb₅的费米面因层间星形（SD）与反星形（ISD）结构的有序排列而发生显著重构。观测到的量子振荡频率数量超过基于孤立SD或ISD畸变的密度泛函理论（DFT）计算预测，提供了有力证据，表明沿c轴的2×2×4超晶格调制从根本上重塑了费米面。

ABSTRACT

The connection between unconventional superconductivity and charge density waves (CDW) has intrigued the condensed matter community and found much interest in the recently discovered superconducting Kagome family of AV$_3$Sb$_5$ (A = K, Cs, Rb). Xray diffraction and Raman spectroscopy measurements established that the CDW order in CsV$_3$Sb$_5$ comprises of a 2x2x4 structure with stacking of layers of star-of-David (SD) and inverse-star-of-David (ISD) pattern along the $c$-axis direction. Such interlayer ordering will induce a vast normalization of the electronic ground state; however, it has not been observed in Fermi surface measurements. Here we report quantum oscillations of CsV$_3$Sb$_5$ using tunnel diode oscillator frequency measurements. We observed a large number of frequencies, many of which were not reported. The number of frequencies can not be explained by DFT calculations when only SD or ISD distortion is considered. Instead, our results are consistent with calculations when interlayer ordering is taken into account, providing strong evidence that CDW phase of CsV$_3$Sb$_5$ has complicated structure distortion which in turn has dramatic effects on the Fermi surface properties.

研究动机与目标

• 解决CsV₃Sb₅费米面中观测到的量子振荡频率与理论预测之间的差异。
• 研究SD与ISD结构层间堆叠对电子结构和费米面拓扑的影响。
• 确定量子振荡实验中观测到的复杂费米面是否可由2×2×4超晶格调制解释。
• 检验先前通过XRD和拉曼光谱推断的层间有序是否在量子振荡数据中留下可探测的特征。
• 阐明电荷密度波（CDW）诱导的结构畸变在改变凯戈麦超导体电子性质中的作用。

提出的方法

• 在高达41.5 T的磁场下，对高质量CsV₃Sb₅单晶进行了隧道二极管振荡器（TDO）频率测量。
• 在0.59 K至30 K的温度范围内获取量子振荡数据，以探测费米面拓扑结构。
• 对TDO频率数据进行快速傅里叶变换（FFT）分析，以提取量子振荡频率。
• 将观测到的频率与基于孤立SD或ISD畸变的DFT计算结果以及2×2×4超晶格模型的预测进行比较。
• 采用噪声抑制和场反演分析方法，提高有效质量与频率拟合的准确性。
• 通过比较不同磁场范围内的频率模式，评估高次谐波和独立轨道的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过仅假设SD或ISD畸变的DFT计算解释CsV₃Sb₅中观测到的大量量子振荡频率？
• RQ2 SD与ISD层的层间堆叠——特别是2×2×4超晶格——是否会产生与实验量子振荡数据一致的费米面？
• RQ3 在500–1000 T和1200–1800 T范围内的新观测频率是否为低频轨道的谐波，或对应于独立的费米面口袋？
• RQ4 为何某些频率在体材料中持续存在，而此前仅在薄片样品中报道过？这对其起源意味着什么？
• RQ5 CDW相中层间有序在多大程度上显著重正化了电子基态和费米面结构？

主要发现

• 单次测量中观测到总共14个不同的量子振荡频率，其中多个为此前未报道的频率。
• 观测到的频率数量和模式无法通过仅假设SD或ISD畸变的DFT计算解释，表明需要更复杂的结构模型。
• 观测到的频率与基于2×2×4超晶格结构的理论预测具有强烈的定性一致性，为层间SD/ISD有序提供了直接证据。
• 在1200–1800 T范围内的六个此前未报道的频率并非低频轨道的谐波，而是对应于独立的费米面口袋。
• 尽管早期研究在薄片样品中未观测到这些特征，但其在体材料中仍存在，表明这些特征为本征性质，而非氧化或空穴掺杂所致。
• 结果表明，CsV₃Sb₅在CDW相中的层间有序导致费米面发生显著重构，其程度远超单层畸变的预测。