[論文レビュー] Flat optical conductivity in the topological kagome magnet TbMn$_6$Sn$_6$

Rongsheng Li, Tan Zhang+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、赤外分光法を用いて実験的に観測され、最初原理計算によって理論的に説明された、トポロジカルケイゴム磁性体TbMn₆Sn₆における広いエネルギー範囲（1800–3000 cm⁻¹）における平坦な光学伝導度が明らかにされた。この平坦性は、ディラックバンドのみに起因するのではなく、質量のある準二次元的ディラックバンドと自明なバンドの集団的寄与に起因しており、その中でディラックバンドのトポロジカルな重要性にもかかわらず、光学応答の主導的寄与は自明なバンドが占めている。

ABSTRACT

Kagome magnet TbMn$_6$Sn$_6$ is a new type of topological material that is known to support exotic quantum magnetic states. Experimental work has identified that TbMn$_6$Sn$_6$ hosts Dirac electronic states that could lead to topological and Chern quantum phases, but the optical response of the Dirac fermions of TbMn$_6$Sn$_6$ and its properties remain to be explored. Here, we perform optical spectroscopy measurement combined with first-principles calculations on single-crystal sample of TbMn$_6$Sn$_6$ to investigate the associated exotic phenomena. TbMn$_6$Sn$_6$ exhibits frequency-independent optical conductivity spectra in a broad range from 1800 to 3000 cm$^{-1}$ (220-370 meV) in experiments. The theoretical band structures and optical conductivity spectra are calculated with several shifted Fermi energy to compare with the experiment. The theoretical spectra with 0.56 eV shift for Fermi energy are well consistent with our experimental results. Besides, the massive quasi-two-dimensional (quasi-2D) Dirac bands, which have linear band dispersion in $k_x$-$k_y$ plane and no band dispersion along the $k_z$ direction, exist close to the shifted Fermi energy. According to tight-binding model analysis, the quasi-2D Dirac bands give rise to a flat optical conductivity, while its value is smaller than, about one tenth of, that from the calculations and experiments. It indicates that the other trivial bands also contribute to the flat optical conductivity.

研究の動機と目的

• トポロジカルケイゴム磁性体TbMn₆Sn₆におけるディラックフェルミオンの光学応答を調査すること。
• 中赤外域における周波数に依存しない観測された光学伝導度の起源を特定すること。
• トポロジカルディラックバンドと自明なバンドが光学伝導度に与える寄与を分離すること。
• スピン軌道相互作用およびフェルミエネルギーの整合性が光学応答に与える役割を確立すること。
• シフトされたフェルミエネルギーを用いた最初原理計算により、実験結果を検証すること。

提案手法

• フェルミ準拠面近くに質量のあるディラックバンドが存在することを確認するため、角度分解光電子分光法（ARPES）および走査トンネル顕微鏡（STM）を実施した。
• 単結晶TbMn₆Sn₆を用いてフーリエ変換赤外分光法（FTIR）を実施し、面内反射率を測定し、50–32,000 cm⁻¹の範囲で光学伝導度を抽出した。
• VASPを用いた最初原理計算により、電子バンド構造および光学応答を計算した。関数法にはPBE-GGAを、擬ポテンシャルにはプロジェクター拡張波（PAW）を用いた。
• 光学伝導度を、縦方向誘電関数を用いて計算し、次の式により帯間および帯内（ドレーブ）寄与を分離した：σ₁(ω) = ω/4π × Imε(ω)。
• 理論的スペクトルと実験スペクトルを一致させるために、計算においてフェルミエネルギーを0、0.32、および0.56 eVの各値に段階的にシフトした。
• タイトバインディングモデル解析を用いて、準二次元的ディラックバンドが光学伝導度に与える寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TbMn₆Sn₆における広いエネルギー範囲にわたる平坦な光学伝導度の原因は何か？
• RQ2 トポロジカルディラックバンドは、観測された光学伝導度にどの程度寄与しているか？
• RQ3 フェルミエネルギーの整合性が、理論的および実験的光学伝導度の一致に与える影響はいかほどか？
• RQ4 特にディラックバンドの寄与が弱い状況下でも、自明なバンドが光学応答をどのように形作っているか？
• RQ5 スピン軌道相互作用および層状ケイゴム構造は、TbMn₆Sn₆の光学的性質にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 実験的光学伝導度は、1800から3000 cm⁻¹（220–370 meV）の範囲で平坦であり、周波数に依存しない強い応答を示しており、エネルギー依存性のない応答を示している。
• フェルミエネルギーを0.56 eV上昇させた理論的計算が、実験的光学伝導度スペクトルを最もよく再現した。
• 質量のある準二次元的ディラックバンドが、kₓ-kᵧ平面では線形分散を示し、k_z方向には分散がないことが、シフトされたフェルミ準拠面近くで確認された。
• トポロジカルディラックバンドが存在するにもかかわらず、その光学伝導度への寄与は全体の約10分の1にとどまり、自明なバンドの支配的寄与が示された。
• 平坦な光学伝導度は、ディラックコーンに類似した分散の直接的兆候ではなく、ディラックバンドと自明なバンドの共同効果に起因する。
• 異なるk_z平面におけるバンド構造計算により、準二次元的ディラックバンドの頑健性およびスピン軌道性（Mn dₓyおよびdₓ²軌道）が確認された。