[論文レビュー] Intertwining of magnetism and charge ordering in kagome FeGe

Sen Shao, Jia‐Xin Yin+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、kagome由来の電子状態のフェルミ面ネストによって駆動される2×2×1の電荷密度波（CDW）を示すFeGeが提案されており、はちみつくらげ層のGe原子が一般化されたKekulé歪みを示す一方で、Fe kagome層はほとんど変化しない。CDWは磁気交換結合と電子相関の複雑な関与によって安定化され、Feの磁気モーメントが増大し、実験的STMデータを説明できる。

ABSTRACT

Recent experiments report a charge density wave (CDW) in the antiferromagnet FeGe, but the nature of the charge ordering and the associated structural distortion remains elusive. We discuss the structural and electronic properties of FeGe. Our proposed ground state phase accurately captures atomic topographies acquired by scanning tunneling microscopy. We show that the 2$ imes$2$ imes$1 CDW likely results from the Fermi surface nesting of hexagonal-prism-shaped kagome states. FeGe is found to exhibit distortions in the positions of the Ge atoms instead of the Fe atoms in the kagome layers. Using in-depth first-principles calculations and analytical modeling, we demonstrate that this unconventional distortion is driven by the intertwining of magnetic exchange coupling and CDW interactions in this kagome material. Movement of Ge atoms from their pristine positions also enhances the magnetic moment of the Fe kagome layers. Our study indicates that magnetic kagome lattices provide a material candidate for exploring the effects of strong electronic correlations on the ground state and their implications for transport, magnetic, and optical responses in materials.

研究の動機と目的

• kagome反強磁性体FeGeにおける電荷密度波（CDW）秩序および関連する構造的歪みの本質を解明すること。
• CDWがフェルミ面ネスト由来か、電子相関効果由来かを特定すること。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）実験で観察された原子的トポグラフィーを説明すること。
• なぜCDW相においてGe原子が歪むのか、Fe原子が歪まないのかを解明すること。
• 磁気交換結合がCDWの安定化および磁気モーメントの増大に果たす役割を調査すること。

提案手法

• FeGeの低エネルギー反強磁性スーパセル構造を特定するために、CALYPSO構造探索アルゴリズムを用いた。
• VASPを用いて第一原理計算を実施し、PBE交換相関関数とプロジェクター付加重波法を採用した。
• PHONOPYを用いて準調和近似に基づくフォノンスペクトルおよびギブズ自由エネルギー計算を行い、熱力学的安定性を評価した。
• 表面電子状態密度に注目し、真空中に3ユニットセル分の厚さを持つスラブモデルを用いてSTM像をシミュレートした。
• フェルミ面ネストによるCDW不安定性を調査するため、ゼロ周波数でのLindhard応答関数を用いて電子的感受率を計算した。
• バンド構造および状態密度データの後処理にはVASPKITを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeGeにおける2×2×1の電荷密度波の起源は何か？ どの原子サブラティスが構造的歪みを示すのか？
• RQ2 kagome状態のフェルミ面ネストは、FeGeにおけるCDW形成をどのように駆動するのか？
• RQ3 CDW遷移において、なぜkagome層のFe原子ではなく、はちみつくらげ層のGe原子が歪むのか？
• RQ4 磁気交換結合とCDW秩序がどのように複雑に絡み合い、基底状態を安定化させるのか？
• RQ5 CDWはkagome格子内のFe原子の磁気モーメントにどのような影響を与えるのか？

主な発見

• FeGeにおける2×2×1のCDWは、六角錐型のkagome状態のフェルミ面ネストによって生じ、Geのはちみつくらげ層に一般化されたKekulé歪みが引き起こされる。
• 構造的歪みは主にはちみつくらげ層のGe原子の変位に起因し、kagome層のFe原子の変位は顕著でない。これはSTM観測と整合的である。
• CDW相は磁気交換結合と電子相関効果の複雑な関与によって安定化され、Fe原子の明確な変位は観察されない。
• CDWはkagome層内のFe原子の磁気モーメントを増大させ、強い電子相関効果を示唆している。
• 予測された2×2×1のCDW構造は、原子的トポグラフィーおよび電子状態密度の両面で実験的STMデータと一致する。
• 本研究では、準安定状態として1×√3×1および2×2√3×1のCDW相を同定し、今後の実験的検証の理論的ターゲットを提供した。