[論文レビュー] Flat band-engineered spin-density wave and the emergent multi-$k$ magnetic state in the topological kagome metal Mn$_{3}$Sn

Xiao Wang, Fengfeng Zhu+17 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、トポロジカルなフラットバンドのフェルミ面ネストによって駆動される、フラットバンドを有するスピン密度波（SDW）秩序が、トポロジカルなカグラメタルMn₃Snで特定された。280 K未満で発現する二重k非平面的不整合磁気秩序への転移は、中性子回折とDFT計算により確認され、相互作用調波（2kₗ + kₜ）が明確に特定され、多k磁気基底状態が裏付けられた。

ABSTRACT

Magnetic kagome metals, in which topologically non-trivial band structures and electronic correlation are intertwined, have recently emerged as an exciting platform to explore exotic correlated topological phases, that are usually not found in weakly interacting materials described within the semi-classical picture of electrons. Here, via a comprehensive single-crystal neutron diffraction and first-principles density functional theory study of the archetypical topological kagome metal Mn$_3$Sn, which is also a magnetic Weyl fermion material and a promising chiral magnet for antiferromagnetic spintronics, we report the realisation of an emergent spin-density wave (SDW) order, a hallmark correlated many-body phenomenon, that is engineered by the Fermi surface nesting of topological flat bands. We further reveal that the phase transition, from the well-known high-temperature coplanar and non-collinear k = 0 inverse triangular antiferromagnetic order to a double-$k$ non-coplanar modulated incommensurate magnetic structure below $T_1$ = 280 K, is primarily driven by the SDW instability. The double-$k$ nature of this complex low-temperature magnetic order, which can be regarded as an intriguing superposition of a longitudinal SDW with a modulation wavevector k$_L$ and a transverse incommensurate helical magnetic order with a modulation wavevector k$_T$, is unambiguously confirmed by our observation of the inter-modulation high-order harmonics of the type of 2k$_L$+k$_T$. This discovery not only solves a long-standing puzzle concerning the nature of the phase transition at $T_1$, but also provides an extraordinary example on the intrinsic engineering of correlated many-body phenomena in topological matter. The identified multi-$k$ magnetic state can be further exploited for the engineering of the new modes of magnetization and chirality switching in antiferromagnetic spintronics.

研究の動機と目的

• Mn₃SnにおけるT₁ = 280 Kでの相転移の性質を解明すること。
• トポロジカルなフラットバンドがカグラ金属におけるスピン密度波（SDW）不安定性を引き起こす役割を調査すること。
• Mn₃Snにおける出現する多k磁気秩序の特徴を付与し、その背後にある波数構造を特定すること。
• 強相関的トポロジカル材料における電子的トポロジー、フェルミ面ネスト、および相関磁気秩序の間の関係を確立すること。

提案手法

• 磁気構造および波数成分を調べるため、複数の散乱幾何（xsf、zsf、znsf）を用いた単結晶中性子回折。
• D23ビームラインにおける高分解能Qスキャンを用いて、周期的波数を正確に決定し、相互作用調波を同定。
• スピンオービット結合と室温でのk = 0磁気秩序を含む第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、電子バンド構造およびフェルミ面をモデル化。
• 異なるチャネルにおける磁気散乱強度の分析により、磁気モーメント成分を抽出し、二重k構造を検証。
• 高次調波反射のインデキシングにより、単一kと多k磁気秩序を区別し、特に2kₗ + kₜ対3kₜの検証を実施。
• 磁気秩序有無の状態におけるフェルミ面および状態密度（DOS）を比較し、ネスト条件およびフラットバンド効果を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn₃SnにおけるT₁ = 280 Kでの相転移を引き起こす要因は何か？これはスピン密度波（SDW）不安定性に関連しているか？
• RQ2 低温磁気秩序の真の性質は何か？具体的には、二重k非平面的不整合構造であるか？
• RQ3 相互作用調波（例：2kₗ + kₜ）が実験的に観測可能であり、多k磁気基底状態の確認に使用可能か？
• RQ4 フェルミ準位付近のトポロジカルなフラットバンドは、Mn₃Snにおける磁気不安定性およびSDW形成にどのように寄与するか？
• RQ5 カグラ格子におけるフラットバンドのフェルミ面ネストは、相関的多体磁気秩序をどの程度促進するか？

主な発見

• T₁ = 280 Kでの相転移は、従来の磁気秩序ではなく、主にスピン密度波（SDW）不安定性によって駆動されている。
• 低温磁気状態は、縦方向のSDW（kₗ）と横方向のヘリカル秩序（kₜ）からなる二重k非平面的不整合構造である。
• 2kₗ + kₜ型の相互作用調波が実験的に観測され、明確に同定された。これにより、磁気秩序の多k性が裏付けられた。
• ブリユアンゾーン内のK–M–K経路におけるフラットバンドは、フェルミ準位（E_F + 81 meV）付近に明確な状態密度のピークをもたらし、フェルミ面ネストを強化した。
• （h,0,l）、（h,k,0）、（h,h,l）平面ではフェルミ面ネスト条件は確認されなかったが、フェルミ準位付近のフラットバンドが、フラットバンド部分間のネストによってSDW不安定性を駆動した。
• 磁気構造は、トポロジカルなフラットバンドと電子相関の相互作用によって安定化され、トポロジカル物質における相関的多体現象の内部的工学的実現を示した。