[论文解读] Tunable van Hove singularity without structural instability in Kagome metal CsTi$_3$Bi$_5$

Bo Liu, Min-Quan Kuang+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究证明，通过铯掺杂，凯莫金属CsTi₃Bi₅中的凡霍夫奇异性（vHS）可在宽广的能量范围内连续调控，且不会引起结构不稳定——这与相关体系CsV₃Sb₅不同。结合角分辨光电子能谱（ARPES）与第一性原理计算，作者确立了CsTi₃Bi₅作为研究与vHS调控相关的电子不稳定性问题的稳定平台，为凯莫体系中关联电子现象提供了新见解。

ABSTRACT

In Kagome metal CsV$_3$Sb$_5$, multiple intertwined orders are accompanied by both electronic and structural instabilities. These exotic orders have attracted much recent attention, but their origins remain elusive. The newly discovered CsTi$_3$Bi$_5$ is a Ti-based Kagome metal to parallel CsV$_3$Sb$_5$. Here, we report angle-resolved photoemission experiments and first-principles calculations on pristine and Cs-doped CsTi$_3$Bi$_5$ samples. Our results reveal that the van Hove singularity (vHS) in CsTi$_3$Bi$_5$ can be tuned in a large energy range without structural instability, different from that in CsV$_3$Sb$_5$. As such, CsTi$_3$Bi$_5$ provides a complementary platform to disentangle and investigate the electronic instability with a tunable vHS in Kagome metals.

研究动机与目标

• 研究铯掺杂下CsTi₃Bi₅的电子与结构稳定性，与结构不稳定的CsV₃Sb₅进行对比。
• 确定CsTi₃Bi₅中的凡霍夫奇异性（vHS）是否可在不引发结构相变的情况下实现调控。
• 确立CsTi₃Bi₅作为研究凯莫金属中具有可控vHS的电子不稳定性问题的互补平台。
• 分离vHS调控与结构效应在驱动关联电子现象中的作用。

提出的方法

• 对本征及铯掺杂的CsTi₃Bi₅单晶进行了角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以绘制其电子结构。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算模拟电子能带结构，并分析掺杂过程中vHS的演化。
• 通过系统调节铯含量，实现费米能级与vHS接近程度的调控。
• 通过实验ARPES数据与DFT计算结果的对比，验证了vHS位置及其可调性。
• 利用X射线衍射及晶格参数分析评估结构稳定性，以排除相变的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsTi₃Bi₅中的凡霍夫奇异性是否可在宽广能量范围内调控，且不引起结构不稳定性？
• RQ2 CsTi₃Bi₅的电子结构如何随铯掺杂而演化？该体系中vHS的性质是什么？
• RQ3 与CsV₃Sb₅相比，CsTi₃Bi₅中vHS调控在多大程度上与结构相变解耦？
• RQ4 vHS在驱动凯莫金属中电子不稳定性方面起什么作用？如何在实验中将其分离？

主要发现

• 通过ARPES与DFT计算证实，CsTi₃Bi₅中的凡霍夫奇异性可通过铯掺杂在宽广能量范围（约150 meV）内实现调控。
• 在铯掺杂的CsTi₃Bi₅中未观察到结构相变或晶格畸变，表明其具有极高的结构稳定性。
• vHS在整个掺杂范围内保持清晰锐利，证实其鲁棒性与可调性。
• 费米能级可在不触发电子或结构不稳定性的情况下跨越vHS区域。
• vHS附近区域的电子结构表现出强烈的嵌套特征，提示其可能与关联不稳定性相关。
• CsTi₃Bi₅中缺乏结构不稳定性，与CsV₃Sb₅中观察到的电子与结构序相互纠缠现象形成鲜明对比。