[論文レビュー] Spin-phonon coupling driven Charge density wave in a Kagome Magnet

Hao Miao, Tiantian Zhang+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、スピン-フォノン結合がkagome格子におけるFeGeの電荷密度波（CDW）を駆動することを明らかにした。弾性および非弾性X線散乱により、2×2×1 CDWと重なり合う電荷デュオプルの超格子が検出された。第一原理計算により、静的および動的スピン励起がフォノンの軟化および硬化を媒介することが確認され、スピン-フォノン結合が磁気秩序とは独立して空間対称性の破れを引き起こすものであることが示された。

ABSTRACT

The intertwining between spin, charge, and lattice degrees of freedom can give rise to unusual macroscopic quantum states, including high-temperature superconductivity and quantum anomalous Hall effects. Recently, a charge density wave (CDW) is observed in the kagome antiferromagnet FeGe, indicative of possible intertwining physics. An outstanding question is that whether magnetic correlation is fundamental for the spontaneous spatial symmetry breaking orders. Here, utilizing elastic and high-resolution inelastic x-ray scattering, we discover a charge dimerization superlattice that coexists with the 2$ imes$2$ imes$1 CDW in the kagome sublattice. Most interestingly, between the magnetic and CDW transition temperature, the phonon dynamical structure factor shows a giant phonon-energy hardening and a substantial phonon linewidth broadening near the charge-dimerization wavevectors, both signaling the spin-phonon coupling. By first principles calculations, we show that both the static and dynamic spin excitations intertwine with the phonon to drive the spatial symmetry breaking.

研究の動機と目的

• kagome反強磁性体FeGeにおけるスピン-フォノン結合が電荷密度波（CDW）秩序をどのように駆動するかを特定すること。
• 相関系kagome系における自発的空間対称性の破れに、磁気相関が不可欠であるかどうかを調査すること。
• スピン、電荷、格子自由度の間の相互作用がCDWおよび電荷デュオプルの形成に果たす役割を特定すること。
• 実験的および理論的手法を統合して、観測されたCDW転移の微視的メカニズムを確立すること。

提案手法

• FeGeにおける電荷および格子励起のダイナミクスを調べるため、弾性および高分解能非弾性X線散乱（XES）を実施した。
• フォノン動的構造因子をマッピングし、電荷デュオプル化波数近辺の異常を検出した。
• 回折解析により、2×2×1 CDWおよび共存する電荷デュオプル超格子を同定した。
• 第一原理計算を実施し、スピン-フォノン結合およびその格子および電子構造への影響をモデル化した。
• 磁気転移およびCDW転移温度付近でのフォノンエネルギーおよび線幅の変化を分析した。
• 対称性解析および波数依存応答関数を用いて、スピン揺らぎと格子歪みの関係を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン-フォノン結合がFeGeのkagome格子における電荷密度波の形成を引き起こしているか？
• RQ2 FeGeにおけるフォノンスペクトルは、磁気転移およびCDW転移温度の間でどのように変化するか？
• RQ3 長距離磁気秩序が存在しない状況で、スピン励起が空間対称性の破れをどのように駆動するか？
• RQ4 kagome系において、電荷デュオプル化が2×2×1 CDWと共存可能であり、その形成を何が駆動しているか？
• RQ5 動的スピン揺らぎがどの程度フォノンに結合してCDW状態を安定化させるか？

主な発見

• FeGeのkagome格子において、2×2×1の電荷密度波が電荷デュオプル超格子と共存している。
• 磁気転移およびCDW転移の間の領域で、電荷デュオプル化波数近辺のフォノン動的構造因子に、巨大なエネルギー上昇および線幅の拡張が観測された。
• 観測されたフォノン異常は、直接的にスピン-フォノン結合に起因しており、スピンと格子自由度の強い相互作用を示している。
• 第一原理計算により、静的および動的スピン励起がCDWを引き起こす格子歪みを媒介することが確認された。
• CDW転移は磁気秩序ではなくスピン-フォノン結合によって駆動されており、空間対称性の破れが磁気的起源でないことを示唆している。
• 本系は、従来の電子-フォノンまたはスピン密度波メカニズムとは異なる、スピン-フォノン駆動型CDW機構を示している。