[論文レビュー] A flat band-induced correlated kagome metal

Linda Ye, Shiang Fang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、自然なカグラメタルNi3Inにおいて、三角形モチーフ上のNi 3dオビタルが破壊的量子干渉を引き起こし、フェルミ準位近くのバンド分散を平坦化する部分的に満たされたフラットバンドの初回実験的実現を報告している。このフラットバンドは強い電子相関を示し、非フェルミ液体行動および局所的磁気フラクチュエーションによって裏付けられており、量子臨界性に近接していることを示唆しており、実材料におけるフラットバンド駆動型相関現象のプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

The notion of an electronic flat band refers to a collectively degenerate set of quantum mechanical eigenstates in periodic solids. The vanishing kinetic energy of flat bands relative to the electron-electron interaction is expected to result in a variety of many-body quantum phases of matter. Despite intense theoretical interest, systematic design and experimental realization of such flat band-driven correlated states in natural crystals have remained a challenge. Here we report the realization of a partially filled flat band in a new single crystalline kagome metal Ni$_3$In. This flat band is found to arise from the Ni $3d$-orbital wave functions localized at triangular motifs within the kagome lattice plane, where an underlying destructive interference among hopping paths flattens the dispersion. We observe unusual metallic and thermodynamic responses suggestive of the presence of local fluctuating magnetic moments originating from the flat band states, which together with non-Fermi liquid behavior indicate proximity to quantum criticality. These results demonstrate a lattice and orbital engineering approach to designing flat band-based many-body phenomena that may be applied to integrate correlation with topology and as a novel means to construct quantum criticality.

研究の動機と目的

• 電子相関をチューニング可能な自然な結晶性カグラメタルにフラットバンドを実現すること。
• Ni3Inにおける軌道および格子工学がフェルミ準位近くにフラットバンドを安定化させることを示すこと。
• フラットバンド多体系から、非フェルミ液体行動および局所的磁気フラクチュエーションを含む多体量子相の出現を調べること。
• フラットバンド駆動型相関効果、特にトポロジカルおよび量子臨界現象を研究するための材料プラットフォームを確立すること。

提案手法

• X線回折により確認された、触媒反応法を用いた高品質単結晶Ni3Inの合成。
• 先端光源（Advanced Light Source）における角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、エネルギー分解能20 meV未塔および運動量分解能0.01 Å⁻¹未塔の電子バンド構造をマッピング。
• VASPを用いた密度汎関数理論（DFT）計算、PAWおよびPBE関数を用い、その後Wannier90を用いてWannier関数を構築し、タイトバインディングモデルを導出。
• 電子透過性の高い薄膜膜を調製するためのSTEMおよびFIBマシニングを用いた構造的特徴化。
• 電気的輸送、比熱、磁化率を含む包括的な物理的性質測定により、相関効果を調べる。
• カグラ格子の三角形上に配置された3つのNi原子から形成される分子様軌道に基づく有効4バンドモデルを構築し、フラットバンド形成を説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然なカグラメタルは、強い電子相関を示す部分的に満たされたフラットバンドを有し得るか？
• RQ2 Ni3Inにおける非フェルミ液体行動および局所的磁気フラクチュエーションの起源は何か。また、それらはフラットバンドとどのように関連しているか？
• RQ3 Ni3Inにおける軌道および格子幾何学的配置は、どのように破壊的干渉を引き起こし、バンド分散を平坦化するか？
• RQ4 実材料において、フラットバンド駆動型相関状態、例えば量子臨界性やトポロジカル秩序が、どの程度まで設計可能か？
• RQ5 温度および磁場などの外部パラメータを用いることで、Ni3Inにおける電子相関とフラットバンド物理学の相互作用を調べたり調整したりできるか？

主な発見

• フェルミ準位近くに実験的にフラットバンドが観測され、分散幅は20 meV未塔であり、高分解能ARPES測定により確認された。
• フラットバンドは、カグラ格子内の三角形モチーフ上に配置されたNi 3dオービタルに起因し、遷移経路間の破壊的量子干渉が運動エネルギーを抑制することで生じる。
• 電気的輸送において非フェルミ液体行動が観測され、強い電子相関および量子臨界性に近接していることを示唆している。
• 熱力学的および輸送的応答から、フラットバンド多体系上にフラクチュエーティングなスピンモーメントが存在すると推定された。
• DFTおよびWannierベースのモデリングにより、フラットバンドは主にNi d_{xy}およびd_{xz}オービタルで構成されており、本質的な物理を捉える簡略化された4バンドモデルが有効であることが確認された。
• 3つのNi原子が三角形上に配置された分子様軌道に基づく有効モデルは、フラットバンド分散を再現し、軌道混合がバンド平坦化に果たす役割を裏付けた。