[논문 리뷰] Annealing-induced long-range charge density wave order in magnetic kagome FeGe: fluctuations and disordered structure

Chenfei Shi, Liu Yi외 19명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 17.

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 후열처리가 자기적 카그롬 FeGe에서 장거리 전하 밀도파(CDW) 질서를 유도함을 보여주며, 단일 결정 X선 회절을 통해 CDW의 구조적 기원을 규명한다. Ge의 위치 불순성과 c축 방향의 부분 이중화가 핵심 메커니즘으로 규명되었으며, 장거리 CDW 상에서도 동적인 CDW 변동과 불규칙한 구성이 존재함을 드러낸다.

ABSTRACT

Charge density wave (CDW) in kagome materials with the geometric frustration is able to carry unconventional characteristics. Recently, a CDW has been observed below the antiferromagnetic order in kagome FeGe, in which magnetism and CDW are intertwined to form an emergent quantum ground state. However, the CDW is only short-ranged and the structural modulation originating from it has yet to be determined experimentally. Here we realize a long-range CDW order by post-annealing process, and resolve the structure model through single crystal x-ray diffraction. Occupational disorder of Ge resulting from short-range CDW correlations above $T_\mathrm{CDW}$ is identified from structure refinements. The partial dimerization of Ge along the $c$ axis is unveiled to be the dominant distortion for the CDW. Occupational disorder of Ge is also proved to exist in the CDW phase due to the random selection of partially dimerized Ge sites. Our work provides useful insights for understanding the unconventional nature of the CDW in FeGe.

연구 동기 및 목표

• CDW 질서의 구조적 기원을 이해하기 위해 자기적 카그롬 FeGe에서 CDW와 자성이 얽혀 있는 상태를 조사한다.
• 특히 성장한 샘플에서 장거리 질서가 관찰되지 않는 점을 고려할 때, FeGe에서 CDW와 관련된 오랜 구조적 조임의 불확실성을 해결한다.
• CDW 상을 안정화하는 데 기여하는 Ge 위치 불순성과 격자 변형의 역할을 조사한다.
• T_CDW 이하 및 이상에서 CDW 변동과 불규칙한 구성의 성격을 밝힌다.
• 고해상도 단일 결정 X선 회절을 통해 FeGe에서의 CDW에 대한 구조적 모델을 수립한다.

제안 방법

• 장거리 CDW 질서를 안정화하기 위해 FeGe 단일 결정을 후열처리한다.
• 원자 구조를 규명하고 격자 변형을 식별하기 위해 단일 결정 X선 회절을 수행한다.
• Ge 위치 불순성과 c축 방향의 부분 이중화를 정량화하기 위해 구조 보정을 실시한다.
• T_CDW 이상에서의 온도 의존적 구조 변화를 분석하여 CDW 변동을 탐색한다.
• 정상 상태와 CDW 상태의 구조 모델을 비교하여 주요 변형을 규명한다.
• XRD 데이터를 활용하여 장거리 질서 상에서도 동적인 불규칙한 CDW 구성이 존재함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeGe에서 CDW 질서를 유도하는 구조적 변형은 무엇이며, 단거리와 장거리 CDW 상 간에 어떻게 다를까?
• RQ2 후열처리가 FeGe에서 장거리 CDW 질서의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 CDW 상에서 Ge 위치 불순성은 어느 정도 유지되며, CDW 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 c축 방향의 부분 이중화가 CDW 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 T_CDW 이상에서 CDW 변동과 동적 불규칙성은 어떻게 구조적 데이터에 반영되는가?

주요 결과

• 후열처리를 통해 FeGe에서 장거리 CDW 질서가 성공적으로 유도되어 고해상도 구조 결정이 가능해졌다.
• T_CDW 이상에서 Ge 위치 불순성이 확인되어 정상 상태에서 동적인 CDW 변동이 존재함을 시사한다.
• c축 방향의 Ge 원자 부분 이중화가 CDW 형성의 주요 구조적 변형으로 규명되었다.
• 부분 이중화된 위치에서의 무작위 선택으로 인해 Ge 위치 불순성이 CDW 상에서도 유지되며, 이는 동적 불규칙성을 시사한다.
• 단일 결정 X선 회절을 통해 관측된 CDW와 일치하는 구조 모델이 규명되어 오랫동안 남아있던 모순을 해결하였다.
• 본 연구는 FeGe에서 CDW가 이중화와 불순성의 조합으로 발생함을 규명하였으며, 이는 과도한 카그롬 시스템에서의 비정상적 CDW 거동에 대한 통찰을 제공한다.