[論文レビュー] Evidence of orbit-selective electronic kagome lattice with planar flat-band in correlated paramagnetic YCr6Ge6

T. Y. Yang, Qiang Wan+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、角度分解光電子分光法、輸送測定、および第一原理計算を用いて、磁気的秩序の影響を受けることのないパラ磁性体YCr6Ge6における平面状のフラットバンドを示す軌道選択的電子kagome格子を同定した。フラットバンドは、干渉による破壊的干渉によって格子内での遷移が抑制されるd_{z²}電子に起因する。一方、d_{x²−y²}およびd_{xy}バンドはフェルミ準位近くでディラック錐に類似した分散を示し、軌道依存のフラットネスとkagome系における電子相関およびスピン軌道効果を研究するためのクリアなプラットフォームを示している。

ABSTRACT

Electronic properties of kagome lattice have drawn great attention recently. In associate with flat-band induced by destructive interference and Dirac cone-type dispersion, abundant exotic phenomena have been theoretically discussed. The material realization of electronic kagome lattice is a crucial step towards comprehending kagome physics and achieving novel quantum phases. Here, combining angle-resolved photoemission spectroscopy, transport measurements and first-principle calculations, we expose a planar flat-band in paramagnetic YCr6Ge6 as a typical signature of electronic kagome lattice. We unearth that the planar flat-band arises from the d_(z^2 ) electrons with intra-kagome-plane hopping forbidden by destructive interference. On the other hand, the destructive interference and flatness of the d_(x^2-y^2 ) and d_xy bands are decomposed possibly due to additional in-plane hopping terms, but the Dirac cone-type dispersion is reserved near chemical potential. We explicitly unveil that orbital character plays an essential role to realize electronic kagome lattice in bulk materials with transition metal kagome layers. Paramagnetic YCr6Ge6 provides an opportunity to comprehend intrinsic properties of electronic kagome lattice as well as its interplays with spin orbit coupling and electronic correlation of Cr-3d electrons, and be free from complications induced by strong local moment of ions in kagome planes.

研究の動機と目的

• 磁気的秩序の影響を受けることのないバルクkagome格子材料における電子フラットバンドの同定と特性評価を目的とする。
• kagome系におけるフラットバンドとディラック型分散の実現に寄与する軌道的性質の役割を理解することを目的とする。
• 強い電子相関を示すパラ磁性相を用いて、kagome格子の固有の電子的性質を分離して解明することを目的とする。
• Crを含むkagome材料における局在的磁気モーメントの影響を除き、スピン軌道効果と電子相関の影響を分離して解明することを目的とする。

提案手法

• YCr6Ge6の電子バンド構造を直接マッピングするための角度分解光電子分光法（ARPES）を用いる。
• 長距離磁気秩序の有無を確認するための輸送測定を実施する。
• 電子構造をモデル化し、ARPESの観測結果を検証するための第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施する。
• d_{z²}、d_{x²−y²}、d_{xy}軌道からの寄与を特定するためのバンド分散の軌道分解を実施する。
• Hopインテグラルと対称性制約の分析により、破壊的干渉によるフラットバンドの起源を解明する。
• 計算されたバンドと実験データを比較し、平面状フラットバンドおよびディラック錐に類似した特徴の確認を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラ磁性体YCr6Ge6に観測された平面状フラットバンドの起源は何か。どの軌道がそれに関与しているか。
• RQ2 軌道特異的な遷移項と対称性制約が、kagome格子におけるフラットバンド形成にどのように寄与するか。
• RQ3 局在的磁気モーメントが存在しない状況下で、スピン軌道効果と電子相関が電子構造に及ぼす影響はどの程度か。
• RQ4 d_{x²−y²}およびd_{xy}バンドは類似した対称性制約を有するにもかかわらず、なぜ完全にフラットではないのか。
• RQ5 強い相関を示すパラ磁性kagome系が、フラットバンド物理学の研究にクリアなプラットフォームとして機能できるか。

主な発見

• 実験的に、YCr6Ge6のd_{z²}軌道に、格子内での遷移を抑制する干渉によって生じる平面状フラットバンドが観測された。
• d_{z²}バンドはブリユアンゾーン全体にわたりフラットのままであり、対称性保護された干渉によって強い局在化が生じていることが示された。
• d_{x²−y²}およびd_{xy}バンドは部分的なフラットネスを示すが、完全にフラットではない。これは、完全な破壊的干渉を阻害する追加の面内遷移項が存在するためと推定される。
• d_{x²−y²}およびd_{xy}バンドではフェルミ準位近くにディラック錐に類似した分散が維持されており、軌道依存のフラットネスにもかかわらずトポロジカルな性質が示されている。
• YCr6Ge6に長距離磁気秩序が存在しないことから、局在的モーメントの影響を除いたkagome格子の固有の物理的性質が分離された。
• 第一原理計算により、フラットバンドは主にd_{z²}性質であり、対称性と干渉効果によって安定化されていることが確認された。