[論文レビュー] Anomalous quasiparticles in the zone center electron pocket of the kagomé ferromagnet Fe3Sn2

Sandy Adhitia Ekahana, Yeong‐Ah Soh+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、マイクロフォーカスレーザーを用いた角度分解光電子分光法（micro-ARPES）を用いて、kagome格子フェロ磁性体Fe3Sn2のゾーン中心電子ポケットにおける鋭い定義された準粒子を解明した。三重対称性の電子ポケットと、異常に長い準粒子平均自由行程が明らかになった。これらの結果は、フェルミ準位よりわずかに上にあるフラットバンドに起因する強い電子-電子相互作用を示しており、既存の金属的kagomeフェロ磁性体理論では説明できない。

ABSTRACT

One material containing kagome bilayers and featuring both exceptional magnetism and electron transport is the ferromagnetic metal Fe3Sn2. Notwithstanding the widespread interest in Fe3Sn2, crystal twinning, difficulties in distinguishing surface from bulk states, and a large unit cell have until now prevented the synchrotron-based spectroscopic observation of sharply resolved quasiparticles near the Fermi surface which could be responsible for the anomalous properties appearing at low temperatures for the material. Here we report microfocused laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy (micro-ARPES), which offers the first look at such quasiparticles. The high spatial resolution allows individual crystal twin domains to be examined in isolation, resulting in the discovery of three-fold symmetric electron pockets at the Brillouin zone (BZ) center, not predicted by early tight-binding descriptions but in agreement with density functional theory (DFT) calculations, which also feature Weyl nodes. The quasiparticles in these pockets have remarkably long mean free paths, and their Fermi surface area is consistent with reported quantum oscillations. At the same time, though, the best-defined Fermi surface is reduced at low temperature, and the quasiparticles generally are marginal in the sense that their wavelength uncertainty is of order the deviation of the quasiparticle wavelength from the Fermi vector. We attribute these manifestations of strong electron-electron interactions to a flat band predicted by our DFT to lie just above the dispersive bands seen in this experiment. Thus, beyond demonstrating the impact of twin averaging for ARPES measurements of band structures, our experiments reveal many-body physics unaccounted for by current theories of metallic kagome ferromagnets.

研究の動機と目的

• Fe3Sn2における結晶の twins とバルク-表面状態の混合による従来のARPESの制限を克服すること。
• Fe3Sn2のゾーン中心電子ポケットの電子状態を高い空間分解能およびエネルギー分解能で解明すること。
• このkagomeフェロ磁性体の異常な低温特性の起源を特定すること。
• 金属的kagome系における準粒子行動を規定する電子-電子相互作用の役割を調査すること。

提案手法

• 高い空間分解能を達成するために、マイクロフォーカスレーザーを用いた角度分解光電子分光法（micro-ARPES）を採用した。
• 結晶の twins による平均化効果を避けるために、孤立した twin ドメインでの測定を実施した。
• 電子バンド構造のモデル化と実験的観察の妥当性を検証するために、密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 実験的フェルミ表面積と量子揺らぎ測定データを比較して、準粒子の一貫性を確認した。
• 多体効果および相互作用の強度を評価するために、準粒子の寿命とスペクトル強度を分析した。
• 運動量空間における分散関係およびフェルミ表面トポロジーをマッピングし、三重対称性の電子ポケットを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 twin ドメインの平均化を受けることなく、Fe3Sn2のゾーン中心電子ポケットの真の電子状態は何か？
• RQ2 強い電子相関があるにもかかわらず、Fe3Sn2の準粒子が異常に長い平均自由行程を示すのはなぜか？
• RQ3 観測されたフェルミ表面の特徴は、この材料で報告された量子揺らぎとどのように関係しているか？
• RQ4 フェルミ波数からのずれと比較して、波長の不確実性が大きく、準粒子の臨界的挙動を示すのはなぜか？
• RQ5 フェルミ準位付近のフラットバンドが、このkagomeフェロ磁性体における強い電子-電子相互作用を媒介する程度はどの程度か？

主な発見

• ブリユアンゾーン中心に三重対称性の電子ポケットが観測されたが、初期のタイトバインディングモデルでは予測されておらず、DFT計算と整合的であった。
• 電子ポケット内の準粒子は、極めて長い平均自由行程を示しており、強い相関があるにもかかわらず高いコherencyを示している。
• 観測されたポケットのフェルミ表面積は、量子揺らぎ測定から推定された値と一致した。
• 最も明確に定義されたフェルミ表面特徴は低温で減少しており、準粒子のコherencyの破壊を示している。
• 準粒子は臨界的挙動を示し、波長の不確実性がフェルミ波数からのずれと同等であったため、強い電子-電子相互作用が示唆された。
• DFTで予測された、分散的バンドのわずか上にあるフラットバンドが、異常な多体効果の主な原因であると特定された。