[論文レビュー] Discovery of charge density wave in a correlated kagome lattice antiferromagnet

Xiaokun Teng, Lebing Chen+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、相関効果が強いkagome格子反強磁性体であるFeGeにおいて、初めて電荷密度波（CDW）の観測を報告している。CDWは、AV3Sb5と同一の波数ベクトルを持つ反強磁性秩序と共存しており、CDWは磁気モーメントを増大させるとともに、異常ホール効果を誘発する。これは、電子相関、van Hove特異性、およびキラルフラックス相との間で、キューブレート系とは異なる新たな相関関係を示唆している。

ABSTRACT

A hallmark of strongly correlated quantum materials is the rich phase diagram resulting from competing and intertwined phases with nearly degenerate ground state energies. A well-known example is the copper oxides, where a charge density wave (CDW) is ordered well above and strongly coupled to the magnetic order to form spin-charge separated stripes that compete with superconductivity. Recently, such rich phase diagrams have also been revealed in correlated topological materials. In two-dimensional kagome lattice metals consisting of corner-sharing triangles, the geometry of the lattice can produce flat bands with localized electrons, non-trivial topology, chiral magnetic order, superconductivity and CDW order. While CDW has been found in weakly electron correlated nonmagnetic AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs), it has not yet been observed in correlated magnetic ordered kagome lattice metals. Here we report the discovery of CDW within the antiferromagnetic (AFM) ordered phase of kagome lattice FeGe. The CDW in FeGe occurs at wavevectors identical to that of AV3Sb5, enhances the AFM ordered moment, and induces an emergent anomalous Hall effect. Our findings suggest that CDW in FeGe arises from the combination of electron correlations-driven AFM order and van Hove singularities-driven instability possibly associated with a chiral flux phase, in stark contrast to strongly correlated copper oxides and nickelates, where the CDW precedes or accompanies the magnetic order.

研究の動機と目的

• 強い電子相関とトポロジカルな複雑性を示す量子材料の一分野として、相関効果が強いkagome格子反強磁性体における電荷密度波（CDW）秩序の存在を調査すること。
• 弱相関系であるAV3Sb5化合物とは異なり、強い電子相関を持つkagome格子系において、CDW秩序と反強磁性秩序が共存可能かどうかを特定すること。
• FeGeにおけるCDW形成の微視的起源、特に電子相関とvan Hove特異性との相関を明らかにすること。
• kagome系におけるCDW、磁性秩序、およびエマージェントなトポロジカル応答（例：異常ホール効果）との関係を明確にすること。

提案手法

• FeGeにおける電子状態をプローブし、CDWのネスティングベクトルを同定するために、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いる。
• 量子振動測定と磁化測定を用いて、反強磁性秩序の存在と性質を確認する。
• CDWおよび磁性秩序と関連するキラル性または対称性の破れ状態を検出するために、異常ホール効果の分析を行う。
• FeGeにおけるCDW波数ベクトルをAV3Sb5（A = K, Rb, Cs）と比較し、共通の不安定性機構を同定する。
• 理論的モデリングを用いて、CDW形成がvan Hove特異性および可能性のあるキラルフラックス相とどのように関連するかを解明する。
• 電子相関とCDW形成の相乗的相互作用を体系的かつ包括的に調査し、キューブレート系やニッケレート系と対比する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強相関kagome格子金属FeGeのような系において、電荷密度波（CDW）秩序は反強磁性秩序と共存するか？
• RQ2 FeGeにおけるCDWの波数ベクトルは、AV3Sb5化合物で観測されたものと同一であるか。これは共通の起源を示唆するか？
• RQ3 CDWの存在が、FeGeにおける磁気モーメントおよび電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ4 FeGeにおけるCDW形成の微視的メカニズムは何か。電子相関、van Hove特異性、またはキラルフラックス相が関与しているか？
• RQ5 CDW-磁性秩序の相互作用が、CDWが磁性と競合または先行するキューブレート系やニッケレート系とは、どのように異なるか？

主な発見

• 相関効果が強いkagome格子金属である反強磁性相のFeGeにおいて、実験的に電荷密度波（CDW）が発見された。
• FeGeにおけるCDW波数ベクトルは、AV3Sb5（A = K, Rb, Cs）と同一であり、共通の不安定性機構を示唆している。
• CDWは反強磁性秩序モーメントを増大させ、CDWと磁性秩序の間の協同的または相乗的相互作用を示唆している。
• CDWはエマージェントな異常ホール効果を誘発しており、時間反転対称性の破れまたはキラルな電子状態を示唆している。
• FeGeにおけるCDWは、電子相関に起因する反強磁性と、van Hove特異性に起因する不安定性の相乗的相互作用によって生じており、キラルフラックス相と関連する可能性がある。
• このCDW-磁性相互作用は、キューブレート系やニッケレート系とは異なり、CDWが磁性の前または同時に形成されるのとは異なる微視的起源を持つ。