[論文レビュー] Negative flatband magnetism in a spin-orbit coupled kagome magnet

Jia‐Xin Yin, Songtian S. Zhang+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡を用いてカゴメ格子磁性体Co3Sn2S2において負のフラットバンド磁性を明らかにした。スピン軌道結合が印加磁場とは逆方向のゼーマンシフトを誘導することを示した。フェルミ準拠におけるフラットバンドは異常な軌道磁化を示し、非自明なベリー曲率と関連づけられ、Co3Sn2S2がスピン軌道結合フラットバンド物理学のプラットフォームとして成立することを示した。

ABSTRACT

It has long been speculated that electronic flat band systems can be a fertile ground for hosting novel emergent phenomena including unconventional magnetism and superconductivity. Although flat bands are known to exist in a few systems such as heavy fermion materials and twisted bilayer graphene, their microscopic roles and underlying mechanisms in generating emergent behavior remain elusive. Here we use scanning tunneling microscopy to elucidate the atomically resolved electronic states and their magnetic response in the kagome magnet Co3Sn2S2. We observe a pronounced peak at the Fermi level, which is identified to arise from the kinetically frustrated kagome flat band. Increasing magnetic field up to +-8T, this state exhibits an anomalous magnetization-polarized Zeeman shift, dominated by an orbital moment in opposite to the field direction. Such negative magnetism can be understood as spin-orbit coupling induced quantum phase effects tied to non-trivial flat band systems. We image the flat band peak, resolve the associated negative magnetism, and provide its connection to the Berry curvature field, showing that Co3Sn2S2 is a rare example of kagome magnet where the low energy physics can be dominated by the spin-orbit coupled flat band. Our methodology of probing band-resolved ordering phenomena such as spin-orbit magnetism can also be applied in future experiments to elucidate other exotic phenomena including flat band superconductivity and anomalous quantum transport.

研究の動機と目的

• カゴメ格子材料における非代替的磁性をフラットバンドがどのように担うかを調査すること。
• スピン軌道結合フラットバンド系における異常磁気応答の微視的起源を解明すること。
• フラットバンド電子構造と負の磁性などの発現的量子臨界現象との直接的関連を確立すること。
• Co3Sn2S2が低エネルギー物理がスピン軌道結合フラットバンドに支配される極めて稀な系であることを示すこと。
• フラットバンド超伝導や異常輸送といった特異な量子相をバンド分解能で探るためのプローブを開発すること。

提案手法

• Co3Sn2S2における原子スケールの電子状態を高分解能走査トンネル顕微鏡（STM）で撮像すること。
• 局所状態密度（LDOS）を測定し、フェルミ準拠におけるフラットバンド特徴を同定すること。
• ±8 Tまでの磁場を印加し、フラットバンド状態のゼーマン応答を調べること。
• フラットバンドピークの磁化偏光シフトを分析し、スピンと軌道の寄与を区別すること。
• 理論的モデリングを用いて観測された負の磁性とベリー曲率場の関連を相関させること。
• 空間的に分解能のある分光法を用いて、フラットバンドに結びついた非自明な量子位相効果をマッピングすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場下におけるCo3Sn2S2のフラットバンドにおける異常磁化応答の起源は何か？
• RQ2 スピン軌道結合はカゴメ格子フラットバンドの磁気的挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 観測された負の磁性はスピン偏極ではなく、軌道磁気モーメント効果に起因するだろうか？
• RQ4 この系におけるフラットバンドの電子構造とベリー曲率場との関連は何か？
• RQ5 フラットバンドがCo3Sn2S2の低エネルギー物理学にどの程度支配的か？

主な発見

• フェルミ準拠における局所状態密度に顕著なピークが観測され、これがカゴメフラットバンドに起因することが特定された。
• ±8 Tまでの磁場下で、フラットバンドピークが磁場の方向とは逆方向にゼーマンシフトを示し、負の磁性を示した。
• 異常磁化は、印加磁場と逆方向に整列した軌道磁気モーメントによって支配されていた。
• 負の磁性は、非自明なフラットバンドにおけるスピン軌道結合由来の量子位相効果に起因する。
• フラットバンドピークが直接像として観測され、ベリー曲率場と磁気応答が関連づけられた。
• Co3Sn2S2が低エネルギー物理がスピン軌道結合フラットバンドに支配される極めて稀な例であることが確立された。