[論文レビュー] Instability of the charge density wave in Kagome magnet FeGe

Ziyuan Chen, Xueliang Wu+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、kagome格子磁性体FeGeにおける2×2電荷密度波（CDW）が非常に不安定であり、STMによる操作で容易に1×1相へと転移することを明らかにした。第一原理計算により平坦な光学フォノンの軟化が示され、CDW状態間の強い競合が確認された。これは、多数のほぼ简単な不安定性が寄与する、壊れやすいCDW基底状態であることを示している。

ABSTRACT

Kagome metals show rich competing quantum phases due to geometry frustration, flat bands, many-body effects, and non-trivial topology. Recently, a novel charge density wave (CDW) was discovered deep inside the antiferromagnetic phase of FeGe, attracting intense attention due to close relation with magnetism. Here, via a scanning tunneling microscope (STM), we find the 2*2 CDW in FeGe is very fragile and can be readily disrupted into the initial 1*1 phase; Small sqrt3*sqrt3 CDW puddles are found to coexist with the 2*2 CDW in as-grown samples, and can also be induced in the intermediate process of CDW disruption, which will eventually transform into the initial 1*1 phase. Moreover, an exotic intermediate CDW state and standalone CDW nuclei appear unexpectedly during the disruption process. Our first-principle calculations find equal softening of a flat optical phonon mode in a large momentum region around the CDW wave vector, corresponding to numerous competing CDWs with close energies. This might lead to strong instability of the CDW ground state, responsible for STM observations. Our findings provide more novel experimental aspects to understand the CDW in FeGe and suggest FeGe-like Kagome metals are ideal platforms for studying the physics of competing CDW instabilities.

研究の動機と目的

• 最近発見されたkagome磁性体FeGeにおける2×2電荷密度波（CDW）の安定性とダイナミクスを調査すること。
• 幾何的フラストレーション、フラットバンド、強い電子相関が共存する系におけるCDW不安定性の微視的起源を理解すること。
• CDW転移過程における競合するCDW状態および出現する中間相の役割を調査すること。
• 一時的なCDW構造の実験的観察を、ab initio計算で予測された電子的不安定性と結びつけること。

提案手法

• 原子スケールでCDW秩序を像像および操作するために走査トンネル顕微鏡（STM）が用いられた。
• 局所的な電子的摂動下でのCDW相の動的変化を、in situ STM測定で追跡した。
• CDW波数ベクトル近傍のフォノンモードおよび電子構造を解析するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• 計算では、運動量空間における競合するCDW不安定性の軟化モードおよび degeneracy を特定することに焦点を当てた。
• 光学フォノン分散の理論的分析により、フラットバンドおよびCDW波数ベクトル周辺の広範囲にわたる軟化が明らかになった。
• 実験的観察と理論的予測の比較により、競合するCDWチャネルが基底状態の不安定化に果たす役割が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的な電子的制御下におけるFeGeにおける2×2電荷密度波（CDW）相の安定性はいかほどか？
• RQ2 2×2 CDWが破壊される過程で、一時的なCDWプールおよび孤立したCDWコアはどのようにして出現するか？
• RQ3 電子的および格子的不安定性が、FeGeにおけるCDW相転移を駆動する役割を果たすか？
• RQ4 磁性と共存するにもかかわらず、なぜFeGeのCDW基底状態はこれほどに壊れやすいのか？
• RQ5 2×2から1×1 CDWへの遷移中に観察された中間CDW状態の性質は何か？

主な発見

• FeGeにおける2×2 CDWは極めて壊れやすく、局所的なSTMプローブ操作によって容易に1×1相へと破壊される。
• 通常状態のサンプルでは、2×2 CDWと併存する小さな√3×√3 CDWプールが存在し、破壊過程で一時的に誘発される。
• CDW転移中に予期しない中間CDW状態および孤立したCDWコアが出現し、複雑な多体ダイナミクスを示している。
• 第一原理計算により、CDW波数ベクトル周辺の広範囲にわたり、平坦な光学フォノンモードの同等の軟化が確認され、多数のほぼ簡単なCDW不安定性が示唆された。
• 平坦フォノンモードの軟化は、CDW状態間の強い格子媒介的競合を示しており、2×2 CDW基底状態の観察された不安定性を説明する。
• 本研究の結果は、kagome金属における競合するCDW不安定性および出現する量子相を研究するモデル系として、FeGeの役割を確立した。