[論文レビュー] Triple-Well Charge Density Wave Transition Driven by Cooperation between Peierls-like Effect and Antiferromagnetic Order in FeGe

Binhua Zhang, Junyi Ji+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、FeGeにおける三重井戸型電荷密度波（CDW）転移が、ペイエルズ様効果と反強磁性秩序の協同的メカニズムによって駆動されることを明らかにした。Ge 1 p_zバンドの0.5 eVを超える下方シフトとフェルミエネルギーのピンギングがCDW相を安定化させる一方、磁気秩序がFe-Ge混成を弱め、Geバンドエネルギーを低下させることで、純粋な相においてフォノン不安定性を示さないという長年のCDW安定性の謎を解明した。

ABSTRACT

Kagome materials provide a promising platform to explore intriguing correlated phenomena including magnetism, charge density wave (CDW), and nontrivial band topology. Recently, a CDW order was observed in antiferromagnetic kagome metal FeGe, sparking enormous research interests in intertwining physics of CDW and magnetism. Two of the core questions are (i) what are the driving forces of the CDW transition in FeGe and (ii) whether magnetism play a critical role in the transition. Such questions are critical as conventional mechanisms of van Hove singularities and Fermi surface nesting fail to explain the stable pristine phase, as well as the role of magnetism. Here, supported by density functional theory and tight-binding models, we unravel the triple-well CDW energy landscape of FeGe, indicating that both the pristine and CDW phases are locally stable. We point out that an entire downward shift of Ge band, instead of the previously proposed Fe bands, competes with the lattice distortion energy, driving the triple-well CDW transition. It is indeed a cooperation between the Peierls-like effect and the Fermi energy pinning phenomenon, which is distinct from the conventional Peierls effect that drives a double-well transition. Moreover, we demonstrate that the antiferromagnetic order also plays a critical role in driving the CDW transition, through weakening the Fe-Ge hybridization by exchange splitting and lowering the position of Ge-bands with respect to the Fermi energy. Our work thus not only deepens the understanding of the CDW mechanism in FeGe, but also indicates an intertwined connection between the emergent magnetism and CDW in kagome materials.

研究の動機と目的

• 純粋な相においてフォノン不安定性を示さないにもかかわらず安定で多安定なCDW相を示すFeGeにおけるCDW相転移のメカニズムを解明すること。
• 従来のCDWメカニズム（フェルミ面ネストやヴァン・ホーブ特異点）が、観察されたCDW転移を説明できるかどうかを特定すること。
• カグラ金属としてのFeGeにおいて、反強磁性秩序がCDW相の駆動または安定化に果たす役割を調査すること。
• 従来の二重井戸型ペイエルズ転移とは異なり、三重井戸型エネルギー・ランドスケープが示されるCDW転移の微視的起源を解明すること。

提案手法

• FeGeの純粋相およびCDW相の電子構造とエネルギー・ランドスケープを計算するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• DFTから得られた局所的エネルギーと hopping 積分を用いて、タイトバインディング（TB）モデルを構築し、格子歪み下でのバンド分裂の分析が可能になった。
• 磁気交換相互作用をDFT全エネルギーから抽出するために、四状態エネルギーマッピング法が適用された。計算には√3 × √3 × 1超格子と4×4×10 kメッシュが用いられた。
• 磁気秩序の妥当性とCDW転移への影響を検証するために、30×30×1超格子と1サイトあたり100,000ステップのモンテカルロシミュレーションが実施された。
• スピン軌道結合の役割を正しくモデル化するため、単一イオン異方性計算においてスピン軌道結合を組み込んだ。
• ペイエルズ様効果とフェルミエネルギーピンギングを特定するために、ジル・1 p_z軌道バンドのエネルギーシフトと占有状態の変化を、ジル・ジミゼーションの過程で追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な相においてフォノン不安定性を示さないにもかかわらず、FeGeにおける三重井戸型CDWエネルギー・ランドスケープは、何によって駆動されているのか？
• RQ2 この系におけるペイエルズ様効果は、従来のペイエルズ転移とどのように異なるのか。また、Ge 1 p_zバンドはどのような役割を果たすのか？
• RQ3 反強磁性秩序が、電子構造の変調を通じてCDW転移にどの程度寄与しているのか？
• RQ4 なぜ従来のCDWメカニズム（フェルミ面ネストとヴァン・ホーブ特異点）は、FeGeにおけるCDWを説明できないのか？

主な発見

• FeGeにおけるCDW転移は三重井戸型エネルギー・ランドスケープを示し、純粋相およびCDW相の両方が局所的に安定であるため、高温相においてフォノン不安定性が観察されないことを説明できる。
• 主な駆動力は、ジル・ジミゼーションに伴いGe 1 p_zバンドが0.5 eV以上下方にシフトするペイエルズ様効果であり、これにより系全体のエネルギーが低下する。
• 他の原子との混成に起因するフェルミエネルギーのピンギングにより、Ge 1 p_zバンドが完全に占有され、CDW相の安定化がさらに促進される。
• 反強磁性秩序は、交換スプリッティングによってFe-Ge混成を弱め、フェルミ準位に対してGeバンドエネルギーを低下させることで、中心的な役割を果たす。
• ペイエルズ様効果と磁気秩序の協同的相互作用が、従来の二重井戸型ペイエルズ転移とは異なる独自の三重井戸型転移を生み出している。
• 理論的モデリングにより、CDW相がFe由来のヴァン・ホーブ特異点やネストによって安定化されるのではなく、Geバンドのシフトと磁気秩序の相乗作用によって安定化されることを確認した。