[论文解读] Unidirectional coherent quasiparticles in the high-temperature rotational symmetry broken phase of AV3Sb5 kagome superconductors

Hong Li, H. Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 10

一句话总结

本研究利用光谱成像扫描隧道显微镜揭示，在AV3Sb5 kagome超导体中，超导转变温度以上会涌现出单向有序的准粒子，表明存在一种高温旋转对称性破缺相。这些准粒子在动量空间中表现出明显的单向特征，且该特征在接近超导态时增强，表明在电荷序与超导性之间存在一个独特的中间相。

ABSTRACT

Kagome metals AV3Sb5 (where the A can stand for K, Cs, or Rb) display a rich phase diagram of correlated electron states, including superconductivity and density waves. Within this landscape, recent experiments revealed signs of a transition below approximately 35 K attributed to an electronic nematic phase that spontaneously breaks rotational symmetry of the lattice. Here, we show that rotational symmetry breaking initiates universally at a high temperature in these materials, toward the 2 x 2 charge density wave transition temperature. We do this via spectroscopic-imaging scanning tunneling microscopy and study atomic-scale signatures of electronic symmetry breaking across several materials in the AV3Sb5 family: CsV3Sb5, KV3Sb5 and Sn-doped CsV3Sb5. Below a significantly lower temperature of about 30 K, we measure quantum interference of quasiparticles, a key signature for the formation of a coherent electronic state. These quasiparticles display a pronounced unidirectional feature in reciprocal space that strengthens as the superconducting state is approached. Our experiments reveal that high-temperature rotation symmetry breaking and the charge ordering states are separated from the superconducting ground state by an intermediate-temperature regime with coherent unidirectional quasiparticles. This picture is phenomenologically different compared to that in high-temperature superconductors, shedding light on the complex nature of rotation symmetry breaking in AV3Sb5 kagome superconductors.

研究动机与目标

• 研究AV3Sb5 kagome超导体家族中多种材料的电子结构与对称性破缺行为。
• 确定旋转对称性破缺发生的温度尺度相对于电荷密度波与超导转变温度的位置。
• 识别在中间温度区间内准粒子的涌现及其动量空间特征。
• 阐明这些关联电子体系中旋转对称性破缺、电荷序与超导性之间的关系。

提出的方法

• 采用光谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）在原子尺度探测局域电子结构。
• 测量准粒子的量子干涉图案，以评估其相干性与动量空间各向异性。
• 分析准粒子散射在倒空间中的特征，以探测电子态中的单向结构。
• 通过比较CsV3Sb5、KV3Sb5与Sn掺杂的CsV3Sb5，确立AV3Sb5家族中的普遍行为。
• 绘制从高温到超导转变温度的电子态温度演化过程。
• 利用准粒子干涉（QPI）区分相干与非相干的电子响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 AV3Sb5 kagome超导体中旋转对称性破缺在何种温度下开始？
• RQ2 在超导转变温度以上，相干准粒子如何在动量空间中涌现并演化？
• RQ3 高温旋转对称性破缺相与2×2电荷密度波态之间存在何种关系？
• RQ4 在电荷序与超导性之间是否存在一个具有相干单向准粒子的独立电子相？
• RQ5 单向准粒子的涌现是否在不同AV3Sb5材料中具有普遍性？

主要发现

• AV3Sb5材料中的旋转对称性破缺在高温下普遍发生，接近2×2电荷密度波转变温度。
• 在约30 K以下，涌现出具有明显倒空间单向特征的相干准粒子，其温度远高于超导转变温度。
• 随着系统趋近超导态，单向准粒子特征逐渐增强，表明相干性不断提高。
• 在电荷密度波相与超导相之间存在一个中间温度区间，其特征为相干的单向准粒子。
• 所观测到的电子态在现象学上与高温铜氧化物超导体中的态明显不同，凸显了AV3Sb5中独特的对称性破缺物理机制。
• 结果在CsV3Sb5、KV3Sb5与Sn掺杂的CsV3Sb5中保持一致，证实了AV3Sb5家族中的普遍行为。