[논문 리뷰] Instability of the charge density wave in Kagome magnet FeGe

Ziyuan Chen, Xueliang Wu외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 09.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 카그롬 격자 자성체 FeGe에서 관찰된 2×2 전하 밀도파(CDW)가 매우 불안정하며, 현미경적 수준의 스캐닝 턨널링 현미경(STM) 조작으로 쉽게 1×1 상으로 전이됨을 밝혀냈다. 실험적으로 관측된 일시적인 CDW 풀, 중간 상태, 고립된 CDW 핵은, 평탄한 고유진동수를 가진 광학 격자파의 연약해짐을 보여주는 최초의 원리 계산 결과와 함께, CDW 상태 간의 강한 경쟁을 입증하며, 여러 거의 degenerate한 불안정성에 의해 이끌리는 취약한 CDW 기저 상태임을 시사한다.

ABSTRACT

Kagome metals show rich competing quantum phases due to geometry frustration, flat bands, many-body effects, and non-trivial topology. Recently, a novel charge density wave (CDW) was discovered deep inside the antiferromagnetic phase of FeGe, attracting intense attention due to close relation with magnetism. Here, via a scanning tunneling microscope (STM), we find the 2*2 CDW in FeGe is very fragile and can be readily disrupted into the initial 1*1 phase; Small sqrt3*sqrt3 CDW puddles are found to coexist with the 2*2 CDW in as-grown samples, and can also be induced in the intermediate process of CDW disruption, which will eventually transform into the initial 1*1 phase. Moreover, an exotic intermediate CDW state and standalone CDW nuclei appear unexpectedly during the disruption process. Our first-principle calculations find equal softening of a flat optical phonon mode in a large momentum region around the CDW wave vector, corresponding to numerous competing CDWs with close energies. This might lead to strong instability of the CDW ground state, responsible for STM observations. Our findings provide more novel experimental aspects to understand the CDW in FeGe and suggest FeGe-like Kagome metals are ideal platforms for studying the physics of competing CDW instabilities.

연구 동기 및 목표

• 최근에 발견된 카그롬 자성체 FeGe에서의 2×2 전하 밀도파(CDW)의 안정성과 동역학을 조사하기 위해.
• 기하학적 불안정성, 평탄한 밴드, 강한 전자 상호작용을 가진 시스템에서 CDW 불안정성의 미세 구조적 기원을 이해하기 위해.
• CDW 전이 과정에서 경쟁하는 CDW 상태와 나타나는 중간 상의 역할을 탐색하기 위해.
• 실험적 관측 결과인 일시적인 CDW 구조와 밀도함수이론(ab initio) 계산에서 예측된 전자 불안정성 간의 연관성을 연결하기 위해.

제안 방법

• 원자 척도에서 FeGe의 CDW 순서를 영상화하고 조작하기 위해 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하였다.
• 국소 전자적 외부 자극 중 CDW 상의 동적 진화를 추적하기 위해 현장 내 STM 측정을 수행하였다.
• CDW 파장 벡터 근처의 진동 모드와 전자 구조를 분석하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 운동량 공간에서 경쟁하는 CDW 불안정성의 연약한 모드와 비슷한 에너지 준위를 식별하기 위해 계산을 집중적으로 수행하였다.
• 광학 격자파 분산의 이론적 분석을 통해 평탄한 밴드와 CDW 파장 벡터 주변 광역에서의 연약해짐을 규명하였다.
• 실험적 관측 결과와 이론적 예측 간의 비교를 통해, 경쟁하는 CDW 채널이 기저 상태를 불안정하게 만드는 역할을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 전자 제어 조건 하에서 FeGe의 2×2 전하 밀도파(CDW) 상의 안정성은 어떠한가?
• RQ2 2×2 CDW가 파괴되는 과정에서 일시적인 CDW 상태와 고립된 CDW 핵은 어떻게 발생하는가?
• RQ3 전자적 및 격자 불안정성이 FeGe에서 CDW 상전이를 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 자기성과 공존하는 상태임에도 불구하고, 왜 FeGe의 CDW 기저 상태는 매우 취약한가?
• RQ5 2×2에서 1×1 CDW로의 전이 과정에서 관측된 중간 CDW 상태의 성격은 무엇인가?

주요 결과

• FeGe의 2×2 CDW는 매우 취약하며, 국소적 STM 토크 조작으로 쉽게 1×1 상으로 파괴될 수 있다.
• 원래 상태의 샘플에서는 작은 √3×√3 CDW 풀이 2×2 CDW와 공존하며, 전이 과정 중 일시적으로 유도될 수 있다.
• CDW 전이 과정에서 기이한 중간 CDW 상태와 고립된 CDW 핵이 예상치 않게 나타나며, 복잡한 many-body 동역학을 시사한다.
• 최초 원리 계산 결과, CDW 파장 벡터 주변 광역에서 평탄한 광학 격자파 모드가 동일하게 연약해짐을 규명하였으며, 이는 수많은 거의 degenerate한 CDW 불안정성을 시사한다.
• 평탄한 진동수 모드의 연약해짐은 CDW 상태 간의 강한 격자 매개 경쟁을 시사하며, 관측된 2×2 CDW 기저 상태의 불안정성을 설명한다.
• 이 연구 결과는 FeGe가 카그롬 금속에서 경쟁하는 CDW 불안정성과 기원하는 양자 상을 연구하는 모델 시스템으로서의 위치를 확립한다.