[논문 리뷰] Evidence of orbit-selective electronic kagome lattice with planar flat-band in correlated paramagnetic YCr6Ge6

T. Y. Yang, Qiang Wan외 14명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 17.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 역학적 성질이 없는 YCr6Ge6의 평면적 평탄 밴드를 가진 궤도 선택적 전자 카그메 띠 구조를 각도 분 giải 광전자 방출 분광법(ARPES), 전기 전도도 측정 및 최초 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 통해 규명한다. 평탄 밴드는 평면 내 전이가 간섭에 의해 억제되는 d_{z²} 전자에서 기인하며, d_{x²−y²} 및 d_{xy} 밴드는 패전 에너지 수준 근처에서 디랙 콘 유사 분산을 유지하여 궤도에 따라 평탄성이 달라지며, 카그메 시스템에서 상호작용 및 스핀-오비트 효과를 연구할 수 있는 청소년 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

Electronic properties of kagome lattice have drawn great attention recently. In associate with flat-band induced by destructive interference and Dirac cone-type dispersion, abundant exotic phenomena have been theoretically discussed. The material realization of electronic kagome lattice is a crucial step towards comprehending kagome physics and achieving novel quantum phases. Here, combining angle-resolved photoemission spectroscopy, transport measurements and first-principle calculations, we expose a planar flat-band in paramagnetic YCr6Ge6 as a typical signature of electronic kagome lattice. We unearth that the planar flat-band arises from the d_(z^2 ) electrons with intra-kagome-plane hopping forbidden by destructive interference. On the other hand, the destructive interference and flatness of the d_(x^2-y^2 ) and d_xy bands are decomposed possibly due to additional in-plane hopping terms, but the Dirac cone-type dispersion is reserved near chemical potential. We explicitly unveil that orbital character plays an essential role to realize electronic kagome lattice in bulk materials with transition metal kagome layers. Paramagnetic YCr6Ge6 provides an opportunity to comprehend intrinsic properties of electronic kagome lattice as well as its interplays with spin orbit coupling and electronic correlation of Cr-3d electrons, and be free from complications induced by strong local moment of ions in kagome planes.

연구 동기 및 목표

• 자기적 질서의 영향 없이도 봉우리 카그메 띠 구조에서 전자 평탄 밴드를 식별하고 특성화하는 것.
• 카그메 시스템에서 평탄 밴드와 디랙 콘 유사 분산을 실현하는 데 있어 궤도 성질의 역할을 이해하는 것.
• 강한 전자 상호작용을 가진 역학적 상에서, 카그메 띠의 고유 전자 성질을 분리하여 고립시키는 것.
• Cr 기반 카그메 물질에서 국소 자기 모멘트의 영향을 제거하고 스핀-오비트 결합과 전자 상호작용의 영향을 분리하는 것.

제안 방법

• YCr6Ge6의 전자 밴드 구조를 직접 맵핑하기 위해 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)을 사용한다.
• 장거리 자기 질서의 부재를 확인하기 위해 부피 전자 성질을 조사하기 위해 전기 전도도 측정을 수행한다.
• 전자 구조를 모델링하고 ARPES 관측 결과를 검증하기 위해 최초 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 수행한다.
• d_{z²}, d_{x²−y²}, d_{xy} 궤도의 기여를 식별하기 위해 밴드 분산의 궤도 분해를 수행한다.
• 전이 적분과 대칭성 제약 조건을 분석하여 간섭에 의한 평탄 밴드 기원을 설명한다.
• 계산된 밴드를 실험 데이터와 비교하여 평면적 평탄 밴드와 디랙 콘 유사 특징을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역학적 성질이 없는 YCr6Ge6에서 관측된 평면적 평탄 밴드의 기원은 무엇이며, 어느 궤도가 이에 기여하는가?
• RQ2 궤도 특화 전이 항과 대칭성 제약 조건이 카그메 띠에서 평탄 밴드 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 국소 자기 모멘트가 존재하지 않는 조건에서 스핀-오비트 결합과 전자 상호작용이 전자 구조에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 비록 유사한 대칭성 제약 조건이 존재하더라도 d_{x²−y²} 및 d_{xy} 밴드가 완전히 평탄하지 않은 이유는 무엇인가?
• RQ5 강한 상호작용을 가진 역학적 카그메 시스템이 평탄 밴드 물리학 연구를 위한 청소년 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 YCr6Ge6의 d_{z²} 궤도에서 평면적 평탄 밴드가 관측되었으며, 이는 평면 내 전이가 간섭에 의해 억제되어 발생한다.
• d_{z²} 밴드는 브릴루앙 존 전체에 걸쳐 평탄하게 유지되어 대칭성에 의해 보호되는 간섭으로 인한 강한 국소화를 나타낸다.
• d_{x²−y²} 및 d_{xy} 밴드는 부분적인 평탄성을 보이지만 완전히 평탄하지 않으며, 이상적인 간섭을 방해하는 추가적인 평면 내 전이 항이 존재하기 때문일 것이다.
• d_{x²−y²} 및 d_{xy} 밴드는 패전 에너지 수준 근처에서 디랙 콘 유사 분산을 유지하여 궤도에 따라 평탄성이 달라지더라도 위상적 성질을 유지하고 있음을 나타낸다.
• YCr6Ge6에서 장거리 자기 질서의 부재는 국소 모멘트의 영향을 제거하고 고유의 카그메 물리학을 고립시키는 데 기여한다.
• 최초 원리 계산은 평탄 밴드가 주로 d_{z²} 성질이며 대칭성과 간섭 효과에 의해 안정화됨을 확인한다.