[논문 리뷰] Discovery of charge density wave in a correlated kagome lattice antiferromagnet

Xiaokun Teng, Lebing Chen외 19명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 22.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 강한 전자 상관관계와 토폴로지적 복잡성을 지닌 양자물질인 관련 카그롬 격자 반자성체에서 처음으로 전하 밀도파(CDW)를 관측한 바 있다. 특히, FeGe에서 CDW는 AV3Sb5와 동일한 波벡터를 가진 반자성 순서와 공존하며, CDW는 자화를 증가시키고 비정상적인 홀 효과를 유도한다. 이는 전자 상관관계, 반바이오브 스트링크스, 캐리얼 플럭스 상과의 새로운 상호작용을 시사하며, 구리산염에서의 CDW-자성 상호작용과는 다름을 나타낸다.

ABSTRACT

A hallmark of strongly correlated quantum materials is the rich phase diagram resulting from competing and intertwined phases with nearly degenerate ground state energies. A well-known example is the copper oxides, where a charge density wave (CDW) is ordered well above and strongly coupled to the magnetic order to form spin-charge separated stripes that compete with superconductivity. Recently, such rich phase diagrams have also been revealed in correlated topological materials. In two-dimensional kagome lattice metals consisting of corner-sharing triangles, the geometry of the lattice can produce flat bands with localized electrons, non-trivial topology, chiral magnetic order, superconductivity and CDW order. While CDW has been found in weakly electron correlated nonmagnetic AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs), it has not yet been observed in correlated magnetic ordered kagome lattice metals. Here we report the discovery of CDW within the antiferromagnetic (AFM) ordered phase of kagome lattice FeGe. The CDW in FeGe occurs at wavevectors identical to that of AV3Sb5, enhances the AFM ordered moment, and induces an emergent anomalous Hall effect. Our findings suggest that CDW in FeGe arises from the combination of electron correlations-driven AFM order and van Hove singularities-driven instability possibly associated with a chiral flux phase, in stark contrast to strongly correlated copper oxides and nickelates, where the CDW precedes or accompanies the magnetic order.

연구 동기 및 목표

• 강한 전자 상관관계와 토폴로지적 복잡성을 지닌 양자물질인 관련 카그롬 격자 반자성체에서 전하 밀도파(CDW) 순서의 존재를 조사하기 위해.
• 약한 상관관계를 가진 AV3Sb5 화합물과는 달리, 강한 전자 상관관계를 가진 카그롬 격자 시스템에서 CDW 순서가 반자성(AFM) 순서와 공존할 수 있는지 확인하기 위해.
• FeGe에서 CDW 형성의 미세 구조적 기원을 탐구하며, 특히 전자 상관관계와 반바이오브 스트링크스와의 상호작용을 중심으로 하기 위해.
• 카그롬 시스템에서 CDW, 자성 질서, 그리고 비정상적인 홀 효과와 같은 잠재적 토폴로지적 반응 간의 관계를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• FeGe에서 전자 구조를 탐사하고 CDW의 네스팅 벡터를 식별하기 위해 각도에 의존하는 광전자 방출 분석(ARPES)을 수행하기 위해.
• 반자성 질서의 존재와 성격을 확인하기 위해 양자 진동 측정 및 자화 연구를 수행하기 위해.
• CDW 및 자성 질서와 관련된 캐리얼 또는 대칭성이 깨진 상태를 탐지하기 위해 비정상적인 홀 효과 분 析를 수행하기 위해.
• FeGe의 CDW 파장 벡터를 AV3Sb5(K, Rb, Cs)의 것과 비교하여 공통된 불안정성 메커니즘을 식별하기 위해.
• 이론적 모델링을 통해 CDW 형성과 반바이오브 스트링크스, 그리고 가능성이 있는 캐리얼 플럭스 상과의 연관성을 연결하기 위해.
• 전자 상관관계와 CDW 형성 간의 상호작용을 체계적으로 조사하며, 구리산염 및 니켈산염 시스템과 대조하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상관관계를 지닌 카그롬 격자 금속인 FeGe에서 전하 밀도파(CDW) 순서가 반자성 순서와 공존하는가?
• RQ2 FeGe의 CDW 파장 벡터는 AV3Sb5 화합물에서 관측된 것과 동일한가? 이는 공통된 기원을 시사하는가?
• RQ3 CDW 존재가 FeGe의 자화와 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FeGe에서 CDW 형성의 미세 기원은 무엇인가? 전자 상관관계, 반바이오브 스트링크스, 또는 캐리얼 플럭스 상인가?
• RQ5 FeGe에서의 CDW-자성 질서 상호작용은 CDW가 자성과 함께 형성되거나 그 이전에 나타나는 구리산염 및 니켈산염과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 강한 상관관계를 지닌 카그롬 격자 금속인 FeGe의 반자성 상에서 전하 밀도파(CDW)가 실험적으로 발견되었다.
• FeGe의 CDW 파장 벡터는 AV3Sb5(A = K, Rb, Cs)와 동일하여 공통된 불안정성 메커니즘을 시사한다.
• CDW는 반자성 질서 모멘트를 증가시키며, CDW와 자성 질서 간의 상호보완적 또는 협력적 상호작용을 시사한다.
• CDW는 잠재적인 시간역전 대칭성이 깨진 상태 또는 캐리얼 전자 상태를 유도하는 비정상적인 홀 효과를 유도한다.
• FeGe의 CDW는 전자 상관관계에 의해 유도되는 반자성과 반바이오브 스트링크스에 의해 유도되는 불안정성 간의 상호작용에 기인하며, 가능성이 있는 캐리얼 플럭스 상과 연관될 수 있다.
• 이러한 CDW-자성 상호작용은 구리산염 및 니켈산염에서 관찰되는 것과 다름을 보이며, CDW가 자성 이전이나 함께 형성되는 경우와는 다른 미세 기원을 지닌다.