[論文レビュー] Altermagnetic Ground State in Distorted Kagome Metal CsCr$_3$Sb$_5$

Chenchao Xu, Siqi Wu+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、強い磁気的フルストレーションと電子相関が支配する状況下で、常圧下でCsCr₃Sb₅が$4\times2$のアンタモーフィックスピン密度波（SDW）基底状態を示すことを明らかにした。圧力下では磁気秩序が抑制され、~5 GPaで結合状態の金属化に伴いLifshitz遷移が発生し、5 GPaを超えても磁気フラクチュエーションの持続が、非対称的かつおそらくスピン三重項である超伝導性の可能性を支持する。

ABSTRACT

The CsCr$_3$Sb$_5$ exhibits superconductivity in close proximity to a density-wave (DW) like ground state at ambient pressure\cite{Liu:2024aa}, however details of the DW is still elusive. Using first-principles density-functional calculations, we found its ground state to be a $4 imes2$ altermagnetic spin-density-wave (SDW) at ambient pressure, with an averaged effective moment of $\sim$1.7$μ_B$/Cr. The magnetic long range order is coupled to the lattice, generating 4$a_0$ structural modulation. Multiple competing SDW phases are present and energetically close, suggesting strong magnetic fluctuation at finite temperature. The electronic states near Fermi level are dominated by Cr-3$d$ orbitals, and the kagome flat bands are closer to the Fermi level than those in the $A$V$_3$Sb$_5$ family in paramagnetic state. When external pressure is applied, the energy differences between competing orders and structural modulations are suppressed. Yet, the magnetic fluctuation remains present and important even at high pressure because the high-symmetry kagome lattice is unstable in nonmagnetic phase up to 30 GPa. Our results suggest the crucial role of magnetism to stabilize the crystal structure, under both ambient and high pressure.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、kagome超伝導体CsCr₃Sb₅の電子的および磁気的基底状態を特定すること。
• 電子相関と磁気的フルストレーションが非対称的磁気秩序を安定化させる役割を調査すること。
• 磁気秩序、構造的モード、電子構造の圧力依存性を検討すること。
• 磁気フラクチュエーションと電子的トポロジーがCsCr₃Sb₅における超伝導性に与える影響を評価すること。
• 特にスピン三重項ペアリングの可能性を含めた超伝導ペアリング機構の性質を明確にすること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いたスピン極性密度汎関数理論（DFT）を用いて、電子構造と磁気基底状態を計算した。
• 複数の共線的磁気配置における全エネルギー計算を実施し、最小エネルギーのスピン密度波（SDW）秩序を同定した。
• 非磁性（NM）および逆反強磁性（IAFM）状態におけるフォノンスペクトルを分析し、圧力下での構造的安定性と軟モードの評価を実施した。
• 30 GPaまでの水圧下におけるフェルミ面および電子バンドの進化を追跡し、Lifshitz遷移の検出を試みた。
• ヘイゼンベルグスピン模型に$J_1$、$J_2$、$J_3$、および$J_3^h$項を含め、磁気相互作用を分析したが、データの説明には不十分であった。
• ~5 GPaで、Cr-3dとSb-4pオービタル間の分散的結合状態がフェルミ準位付近に出現し、Lifshitz遷移を示唆した。

Figure 1: (a) Crystal structure of CsCr 3 Sb 5 with P6/mmm symmetry. (b) Definition of local axis for Cr atoms. The local $x$ -axis points to the center of triangles, whereas the local $y$ -axis points to the center of hexagon. (c) AF-ISOD SDW pattern inspired by inverse star-of-david charge order.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常圧下におけるCsCr₃Sb₅の磁気基底状態の性質は何か？
• RQ2 水圧下における競合するスピン密度波（SDW）相と磁気的フルストレーションはどのように変化するか？
• RQ3 どの圧力でLifshitz遷移が発生し、その電子的起源は何か？
• RQ4 長距離磁気秩序の抑制と超伝導性の出現の相関関係は何か？
• RQ5 磁気フラクチュエーションと電子相関が、非対称的超伝導性を可能にする役割は何か？

主な発見

• 常圧下におけるCsCr₃Sb₅の基底状態は、1 Cr原子あたり約1.7 $\mu_B$ の有効磁気モーメントを示す$4\times2$の共線的アンタモーフィックスピン密度波（SDW）秩序である。
• 複数の競合するSDW相がエネルギー的にほぼ degenerate であり、常圧下で強い磁気的フルストレーションとフラクチュエーションが存在することを示している。
• 圧力下では競合磁気秩序間のエネルギー差$\Delta E$が著しく減少し、30 GPaで数meV未満にまで低下する。
• ~5 GPaでLifshitz遷移が発生し、Cr-3dとSb-4pオービタル間の結合状態が分散性を示しフェルミ準位を crosses するようになり、金属化が進行する。
• 非磁性状態は30 GPaまで不安定のままであり、長距離秩序が存在しない状態でも持続的な磁気フラクチュエーションが存在することが示唆される。
• 強い磁気フラクチュエーション、トポロジカルなバンド特徴、および圧力誘発Lifshitz遷移の共存が、5 GPaを超えて非対称的かつおそらくスピン三重項である超伝導ペアリング機構を支持する。

Figure 2: (a-b) The phonon spectrum of CsCr 3 Sb 5 in NM state at (a) ambient pressure and (b) 30 GPa. (c) The phonon spectrum of CsCr 3 Sb 5 in IAFM state at ambient pressure. The soft modes are marked with blue circles.