[논문 리뷰] Flat Band Induced Negative Magnetoresistance in Multi-Orbital Kagome Metal

Jie Zhang, Turgut Yilmaz외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 19.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 다오비탈 캉코메탈 CoSn에서 패러미 레벨 근처의 평탄한 밴드가 강한 전자 상호작용과 반자성 플럭추에이션을 이끌어내며 이방성 음성 자기저항을 유도함을 보여준다. 운반, ARPES, 그리고 최초 원리 계산의 조합을 통해 저자들은 평탄한 밴드 근접성이 전자 오비탈의 충전도보다 상호작용 효과를 지배함을 규명하였으며, 이는 부피 평탄한 밴드 시스템에서 양자 현상을 제어할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Electronic flat band systems are a fertile platform to host correlation-induced quantum phenomena such as unconventional superconductivity, magnetism and topological orders. While flat band has been established in geometrically frustrated structures, such as the kagome lattice, flat band-induced correlation effects especially in those multi-orbital bulk systems are rarely seen. Here we report negative magnetoresistance and signature of ferromagnetic fluctuations in a prototypical kagome metal CoSn, which features a flat band in proximity to the Fermi level. We find that the magnetoresistance is dictated by electronic correlations via Fermi level tuning. Combining with first principles and model calculations, we establish flat band-induced correlation effects in a multi-orbital electronic system, which opens new routes to realize unconventional superconducting and topological states in geometrically frustrated metals.

연구 동기 및 목표

• 캉코 메탈 CoSn에서 음성 자기저항의 기원을 규명하기 위해.
• 다오비탈 캉코 시스템에서 평탄한 밴드 근접성과 전자 도핑 중 어느 것이 상호작용 효과를 지배하는지 결정하기 위해.
• 부피 평탄한 밴드 물질에서 전자 상호작용과 자성 플럭추에이션의 역할을 규명하기 위해.
• U/W와 Δ = |EF − EFB|를 기반으로 부피 다오비탈 평탄한 밴드 시스템을 위한 일반 상도를 수립하기 위해.
• 3차원 캉코 메탈에서 패러미 레벨 공학을 통해 평탄한 밴드 유도 상호작용 효과를 조절할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• CoSn의 전자 밴드 구조를 매핑하기 위해 광자 에너지 의존 측정을 포함한 각도 의존성 광전자 방출 분석(ARPES)을 수행하여 EF 이하 70 meV 곳에 평탄한 밴드를 확인하였다.
• 자기장 하에서 전기 운반 성질 측정을 수행하여 2 K에서 ρab/ρc > 100인 이방성 음성 자기저항을 관측하였다.
• 자기 상태 에너지와 전자 구조를 hole 도핑 유무에 따라 계산하기 위해 스핀-오비탈 결합(SOC)과 허버드 U를 포함한 밀도함수이론(DFT+SOC+U)을 적용하였다.
• 5오비탈 허버드 모델을 사용한 동적 평균장이론(DMFT)을 통해 준입자 질량 강화와 오비탈 별 반응을 계산하였으며, EF 근처에 평탄한 밴드가 존재하는지 여부에 따라 시스템을 비교하였다.
• U/W 대비 Δ = |EF − EFB| 평면에서 상도의 개략도를 구성하여 부피 평탄한 밴드 물질의 자성, 금속성, 그리고 상호작용 영역을 분류하였다.
• U = 5 eV, JH = 0.8 eV, T = 290 K 조건에서 DFT+DMFT 계산을 수행하여 오비탈 별 정적 자성 감도와 질량 강화를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoSn에서 관측된 이방성 음성 자기저항은 무엇이 원인인지, 그리고 평탄한 밴드 근접성과 관련이 있는가?
• RQ2 CoSn에서 전자 상호작용과 자성 플럭추에이션은 평탄한 밴드가 패러미 레벨에 비해 어디에 위치하는지에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 다오비탈 효과와 상층 간 결합은 2차원 평탄한 밴드 시스템에 비해 부피 캉코 메탈에서 자성 기저 상태를 얼마나 수정하는가?
• RQ4 플라즈마 평면 내 반자성 플럭추에이션 강도는 패러미 레벨을 평탄한 밴드에 비해 이동시킴으로써 조절할 수 있는가?
• RQ5 U/W와 Δ = |EF − EFB| 기반으로 부피 다오비탈 평탄한 밴드 시스템의 일반 상도는 어떻게 구성되는가?

주요 결과

• CoSn은 2 K에서 ρab/ρc > 100의 이방성 음성 자기저항을 나타내며, 이는 자기장 하에서 평면 내 저항이 강하게 억제됨을 시사한다.
• ARPES는 CoSn에서 EF 이하 70 meV 곳에 평탄한 밴드가 존재함을 확인하였으며, 3d 오비탈 혼성화와 제일 이웃이 아닌 이웃 전이로 인해 비제로 밴드폭을 가짐을 밝혀냈다.
• DFT+SOC+U 계산은 평탄한 밴드 근처의 hole 도핑이 반자성 플럭추에이션을 강화시키며, U = 5 eV일 때 자성 상태 에너지가 약 10 meV 감소함을 보여주었다.
• DMFT 계산은 U/W ≈ 1 및 Δ ≈ 0 조건에서 평탄한 밴드 오비탈에서 준입자 질량 강화(1/Z)가 최대 약 2.5에 이르며, 중간 수준의 U/W에서도 관찰됨을 밝혀냈다.
• EF 근처에 평탄한 밴드가 존재할 경우 U/W 크기와 무관하게 1/Z가 크게 증가함을 보여주어, 평탄한 밴드 근접성이 U/W 크기와는 별개로 상호작용을 강화함을 입증하였다.
• 그림 4의 상도는 U/W ≈ 1 및 Δ → 0 근처의 임계 영역을 식별하였으며, 이 영역에서 평탄한 밴드 유도 반자성 플럭추에이션은 CoSn에서 관측된 이방성 음성 자기저항을 유도함을 시사한다.