[논문 리뷰] Negative flatband magnetism in a spin-orbit coupled kagome magnet

Jia‐Xin Yin, Songtian S. Zhang외 18명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 15.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여 카그롬 자성체 Co3Sn2S2에서 평탄한 밴드의 음성 평행자화를 규명하였으며, 스핀 궤도 결합이 적용된 자기장과 반대 방향의 제이먼 시프트를 유도함을 보여주었다. 페르미 수준의 평탄한 밴드는 비정상적인 궤도 자화를 나타내며, 이는 비정상적인 베리 곡률과 연결되어 있으며, Co3Sn2S2가 스핀 궤도 결합 평탄 밴드 물리학의 플랫폼으로서 기능함을 입증한다.

ABSTRACT

It has long been speculated that electronic flat band systems can be a fertile ground for hosting novel emergent phenomena including unconventional magnetism and superconductivity. Although flat bands are known to exist in a few systems such as heavy fermion materials and twisted bilayer graphene, their microscopic roles and underlying mechanisms in generating emergent behavior remain elusive. Here we use scanning tunneling microscopy to elucidate the atomically resolved electronic states and their magnetic response in the kagome magnet Co3Sn2S2. We observe a pronounced peak at the Fermi level, which is identified to arise from the kinetically frustrated kagome flat band. Increasing magnetic field up to +-8T, this state exhibits an anomalous magnetization-polarized Zeeman shift, dominated by an orbital moment in opposite to the field direction. Such negative magnetism can be understood as spin-orbit coupling induced quantum phase effects tied to non-trivial flat band systems. We image the flat band peak, resolve the associated negative magnetism, and provide its connection to the Berry curvature field, showing that Co3Sn2S2 is a rare example of kagome magnet where the low energy physics can be dominated by the spin-orbit coupled flat band. Our methodology of probing band-resolved ordering phenomena such as spin-orbit magnetism can also be applied in future experiments to elucidate other exotic phenomena including flat band superconductivity and anomalous quantum transport.

연구 동기 및 목표

• 카그롬 격자 물질에서 평탄한 밴드가 비정상적인 자성의 주요 매개체로 작용하는 역할을 조사하기 위해.
• 스핀 궤도 결합 평탄 밴드 시스템에서 비정상적인 자화 반응의 미세한 기원을 규명하기 위해.
• 평탄한 밴드 전자 구조와 음성 자성과 같은 잠재적 양자 현상 간의 직접적인 연관성을 설정하기 위해.
• Co3Sn2S2가 저에너지 물리가 스핀 궤도 결합 평탄 밴드에 의해 지배되는 흔치 않은 시스템임을 입증하기 위해.
• 평탄한 밴드 초전도 및 비정상적 운반 현상과 같은 특이한 양자 상을 탐지하기 위한 밴드 분해 해상도 측정 기법을 개발하기 위해.

제안 방법

• Co3Sn2S2의 원자 척도 전자 상태를 이미징하기 위해 고해상도 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 활용하기 위해.
• 페르미 수준에서 평탄한 밴드 특성을 규명하기 위해 국소 상태 밀도(LDOS) 측정하기 위해.
• 평탄한 밴드 상태의 제이먼 반응을 조사하기 위해 ±8 T 이내의 자기장 적용하기 위해.
• 평탄한 밴드 피크의 자화에 의한 시프트를 분석하여 스핀 기여와 궤도 기여를 구분하기 위해.
• 이론적 모델링을 통해 관측된 음성 자성과 베리 곡률 필드 간의 상관관계 분석하기 위해.
• 공간적으로 분해된 스펙트로스코피를 사용하여 평탄한 밴드와 연결된 비정상적인 양자 위상 효과 맵핑하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장 하에서 Co3Sn2S2의 평탄한 밴드에서 비정상적인 자화 반응의 기원은 무엇인가?
• RQ2 스핀 궤도 결합은 카그롬 격자 평탄 밴드의 자성 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 음성 자성은 스핀 분극화가 아니라 궤도 모멘트 효과에 기인하는가?
• RQ4 이 시스템에서 평탄한 밴드의 전자 구조와 베리 곡률 필드 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 평탄한 밴드가 Co3Sn2S2의 저에너지 물리에 얼마나 지배적인가?

주요 결과

• 페르미 수준에서 국소 상태 밀도에 명백한 피크가 관측되었으며, 이는 카그롬 평탄 밴드 기인임을 규명하였다.
• ±8 T 이내의 자기장에서 평탄한 밴드 피크는 자기장 방향과 반대 방향으로 제이먼 시프트를 나타내어 음성 자성을 시사하였다.
• 비정상적인 자화는 적용된 자기장과 반대 방향으로 정렬된 궤도 모멘트에 의해 주로 결정되었다.
• 음성 자성은 비정상적인 평탄한 밴드에서 스핀 궤도 결합에 의해 유도된 양자 위상 효과에 기인한다.
• 평탄한 밴드 피크가 직접 이미징되었으며, 그 자성 반응은 베리 곡률 필드와 연관되었다.
• Co3Sn2S2는 저에너지 물리가 스핀 궤도 결합 평탄 밴드에 의해 지배되는 흔치 않은 사례로 확인되었다.