[論文レビュー] Annealing-induced long-range charge density wave order in magnetic kagome FeGe: fluctuations and disordered structure

Chenfei Shi, Liu Yi+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、後処理を施したことで、磁性カゴーメ型FeGeに長距離電荷密度波（CDW）秩序が誘発されることを示しており、単結晶X線回折を用いてCDWの構造的起源を解明した。Geの占有状態の不規則性とc軸に沿った部分的デュアリゼーションが主なメカニズムであることが特定され、長距離CDW相でさえも動的CDWフラクチュエーションや不規則な配置が存在することが明らかになった。

ABSTRACT

Charge density wave (CDW) in kagome materials with the geometric frustration is able to carry unconventional characteristics. Recently, a CDW has been observed below the antiferromagnetic order in kagome FeGe, in which magnetism and CDW are intertwined to form an emergent quantum ground state. However, the CDW is only short-ranged and the structural modulation originating from it has yet to be determined experimentally. Here we realize a long-range CDW order by post-annealing process, and resolve the structure model through single crystal x-ray diffraction. Occupational disorder of Ge resulting from short-range CDW correlations above $T_\mathrm{CDW}$ is identified from structure refinements. The partial dimerization of Ge along the $c$ axis is unveiled to be the dominant distortion for the CDW. Occupational disorder of Ge is also proved to exist in the CDW phase due to the random selection of partially dimerized Ge sites. Our work provides useful insights for understanding the unconventional nature of the CDW in FeGe.

研究の動機と目的

• 磁性カゴーメ型FeGeにおける電荷密度波（CDW）秩序の構造的起源を理解すること。ここではCDWと磁性が密接に結びついている。
• FeGeにおけるCDWに関連する構造的周期的変調について長年の曇りがかった点を解消すること、特に成長した状態では長距離秩序が観察されないという点を解消すること。
• Ge占有状態の不規則性と格子歪みがCDW相の安定化に果たす役割を調査すること。
• T_CDWより上・下でのCDWフラクチュエーションおよび不規則な配置の性質を解明すること。
• 高分解能単結晶X線回折を用いて、FeGeにおけるCDWの構造モデルを確立すること。

提案手法

• FeGe単結晶を後処理して長距離CDW秩序を安定化させること。
• 原子構造の決定と格子歪みの特定のための単結晶X線回折。
• Ge占有状態の不規則性とc軸に沿った部分的デュアリゼーションを定量化する構造精査。
• T_CDWより上での構造的変化の温度依存的分析により、CDWフラクチュエーションを調査すること。
• 通常相とCDW相における構造モデルの比較により、主要な歪みを同定すること。
• XRDデータを用いて、長距離秩序相であっても動的で不規則なCDW配置が存在することを確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeGeにおけるCDW秩序を引き起こす構造的歪みは何であり、短距離CDW相と長距離CDW相ではどのように異なるか？
• RQ2 後処理がFeGeにおける長距離CDW秩序の出現にどのように影響するか？
• RQ3 Ge占有状態の不規則性はCDW相でもどれほど持続するか、そしてCDWの安定性にどのように影響するか？
• RQ4 c軸に沿った部分的デュアリゼーションがCDW形成に果たす役割は何か？
• RQ5 T_CDWより上でのCDWフラクチュエーションおよび動的不規則性は、構造的データにどのように現れるか？

主な発見

• 後処理によりFeGeに長距離CDW秩序が成功裏に誘発され、高分解能構造解析が可能になった。
• T_CDWより上ではGeの占有状態の不規則性が特定され、通常状態における動的CDWフラクチュエーションを示している。
• c軸に沿ったGe原子の部分的デュアリゼーションが、CDW形成を駆動する主要な構造的歪みである。
• 部分的デュアリゼーションのサイトからのランダム選択により、CDW相でもGeの占有状態の不規則性が持続しており、動的不規則性を示している。
• 単結晶X線回折により、観察されたCDWと整合する構造モデルが明らかになり、長年の曇りを解消した。
• 本研究は、FeGeにおけるCDWがデュアリゼーションと不規則性の組み合わせによって生じることを確立し、フラストレーションを示すカゴーメ系における非代替的CDW行動に意味を持つ。