[論文レビュー] Flat Band Induced Negative Magnetoresistance in Multi-Orbital Kagome Metal

Jie Zhang, Turgut Yilmaz+15 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、多軌道kagome金属CoSnにおけるフェルミ準位近くのフラットバンドが、強い電子相関および強磁性揺らぎを引き起こし、異方的負磁気抵抗を生じることを示している。輸送測定、ARPES、および第一原理計算を組み合わせた手法により、電子的相関効果の主因は軌道の充填ではなくフラットバンドに近接することであると特定した。この結果、三次元フラットバンド系における量子現象の制御が可能になる。

ABSTRACT

Electronic flat band systems are a fertile platform to host correlation-induced quantum phenomena such as unconventional superconductivity, magnetism and topological orders. While flat band has been established in geometrically frustrated structures, such as the kagome lattice, flat band-induced correlation effects especially in those multi-orbital bulk systems are rarely seen. Here we report negative magnetoresistance and signature of ferromagnetic fluctuations in a prototypical kagome metal CoSn, which features a flat band in proximity to the Fermi level. We find that the magnetoresistance is dictated by electronic correlations via Fermi level tuning. Combining with first principles and model calculations, we establish flat band-induced correlation effects in a multi-orbital electronic system, which opens new routes to realize unconventional superconducting and topological states in geometrically frustrated metals.

研究の動機と目的

• kagome金属CoSnにおける負磁気抵抗の起源を特定すること。
• 多軌道kagome系において、フラットバンドに近接する状態か電子ドーピングのどちらが相関効果を支配するかを特定すること。
• ボトムアップなフラットバンド材料における電子相関および磁気揺らぎの役割を確立すること。
• U/WおよびΔ = |EF − EFB|を用いた、ボトムアップな多軌道フラットバンド系の一般化された相図を構築すること。
• 三次元kagome金属におけるフェルミ準位のエンジニアリングによって、フラットバンドに起因する相関効果を調整可能であることを実証すること。

提案手法

• 光子エネルギー依存測定を用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を実施し、CoSnの電子バンド構造をマッピング。フェルミ準位から70 meV下に位置するフラットバンドを同定。
• 磁場下における電気的輸送測定を実施し、2 Kでρab/ρc > 100の異方的負磁気抵抗を観測。
• スピン軌道結合（SOC）およびハーバードU項を含む密度汎関数理論（DFT+SOC+U）を用い、穴ドーピング有無の両方で磁性状態エネルギーおよび電子構造を計算。
• 5軌道 Hubbardモデルを用いた動的平均場理論（DMFT）を用い、準粒子有効質量増大および軌道別応答を計算。フェルミ準位近くにフラットバンドを有する系とない系を比較。
• U/WとΔ = |EF − EFB|の平面における模式的相図を構築し、ボトムアップフラットバンド材料における磁性、金属的、相関的領域を分類。
• U = 5 eV、JH = 0.8 eV、T = 290 KでDFT+DMFT計算を実施し、軌道別静的磁化率および質量増大を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoSnにおける異方的負磁気抵抗の原因は何か。フラットバンドに近接することと関連しているか。
• RQ2 フェルミ準位からのフラットバンドの相対的位置に応じて、CoSnにおける電子相関および磁気揺らぎはどのように変化するか。
• RQ3 多軌道効果および層間結合は、2Dフラットバンド系と比較して、ボトムアップkagome金属における磁性基底状態をどの程度変化させるか。
• RQ4 フェルミ準位をフラットバンドに対してシフトさせることで、kagome面上の強磁性揺らぎの強度を調整可能か。
• RQ5 U/WおよびΔ = |EF − EFB|の観点から、ボトムアップ多軌道フラットバンド系の一般相図はどのようなものか。

主な発見

• CoSnは2 Kでρab/ρc > 100の異方的負磁気抵抗を示し、磁場下で面内抵抗が強く抑制されることを示している。
• ARPESにより、CoSnにフェルミ準位から70 meV下に位置するフラットバンドが確認された。これは3d軌道の混合および第二近接結合に起因する有限のバンド幅を有する。
• DFT+SOC+U計算により、フラットバンド付近の穴ドーピングが強磁性揺らぎを増強することが判明。U = 5 eVで磁性状態エネルギーが約10 meV低下した。
• DMFT計算により、U/W ≈ 1およびΔ ≈ の条件下で、フラットバンド軌道における準粒子有効質量増大（1/Z）が最大で約2.5に達することが判明。これは中程度のU/Wに対しても成立する。
• フェルミ準位近くにフラットバンドが存在することで、U/Wの大きさに依存せずに1/Zが顕著に増大することが示された。これはフラットバンドに近接することで相関効果が強化されることを示している。
• 図4の相図により、U/W ≈ 1およびΔ → 0の近傍に、フラットバンドに起因する強磁性揺らぎが異方的負磁気抵抗を生じる臨界領域が特定された。これはCoSnで観測された現象そのものである。