[논문 리뷰] Spin-phonon coupling driven Charge density wave in a Kagome Magnet

Hao Miao, Tiantian Zhang외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 12.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 페로지늄의 카고메 격자에서 스핀-포논 결합이 전하 밀도파(CDW)를 이끄는 것으로 드러내며, 탄성 및 비탄성 X선 산란을 통해 2×2×1 CDW와 함께 공존하는 전하 디머화 초정오를 감지한다. 제1원리 계산은 정적인 및 동적인 스핀 진동이 포논 연화와 경화를 매개함을 확인하여, 스핀-포논 결합이 자발적 공간 대칭성 파괴의 근본 원인임을 규명한다. 이는 자성 질서와는 독립적이다.

ABSTRACT

The intertwining between spin, charge, and lattice degrees of freedom can give rise to unusual macroscopic quantum states, including high-temperature superconductivity and quantum anomalous Hall effects. Recently, a charge density wave (CDW) is observed in the kagome antiferromagnet FeGe, indicative of possible intertwining physics. An outstanding question is that whether magnetic correlation is fundamental for the spontaneous spatial symmetry breaking orders. Here, utilizing elastic and high-resolution inelastic x-ray scattering, we discover a charge dimerization superlattice that coexists with the 2$ imes$2$ imes$1 CDW in the kagome sublattice. Most interestingly, between the magnetic and CDW transition temperature, the phonon dynamical structure factor shows a giant phonon-energy hardening and a substantial phonon linewidth broadening near the charge-dimerization wavevectors, both signaling the spin-phonon coupling. By first principles calculations, we show that both the static and dynamic spin excitations intertwine with the phonon to drive the spatial symmetry breaking.

연구 동기 및 목표

• 카고메 반자성체 FeGe에서 스핀-포논 결합이 전하 밀도파(CDW) 질서를 이끄는 데 기여하는 바를 규명하는 것.
• 상호작용하는 카고메 체계에서 자성 상관관계가 자발적 공간 대칭성 파괴에 필수적인지 여부를 조사하는 것.
• 스핀, 전하, 격자 자유도 간의 상호작용이 CDW 및 전하 디머화를 유도하는 방식을 규명하는 것.
• 실험적 및 이론적 기법을 융합하여 관측된 CDW 전이의 미세 구조 기작을 확립하는 것.

제안 방법

• FeGe의 전하 및 격자 동역학을 탐사하기 위해 탄성 및 고해상도 비탄성 X선 산란(XES)을 수행하였다.
• 전하 디머화 파장벡터 근처에서 비정상성을 감지하기 위해 포논 동역학적 구조 인자도 맵핑하였다.
• 행렬 회절 분석을 통해 2×2×1 CDW와 함께 공존하는 전하 디머화 초정오를 식별하였다.
• 스핀-포논 결합과 그 격자 및 전자 구조에 미치는 영향을 모델링하기 위해 제1원리 계산을 수행하였다.
• 자기 전이 및 CDW 전이 온도를 넘어서서 포논 에너지와 반폭이 어떻게 변화하는지 분석하였다.
• 대칭성 분석 및 波벡터 의존 응답 함수를 사용하여 스핀 변동과 격자 변형 간의 연관성을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 카고메 격자에서 FeGe의 전하 밀도파 형성에 스핀-포논 결합이 기여하는가?
• RQ2 FeGe에서 자기 전이 및 CDW 전이 온도를 넘어서 포논 스펙트럼은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 장거리 자성 질서가 없는 조건에서 스핀 진동은 공간 대칭성 파괴를 어떻게 이끄는가?
• RQ4 카고메 체계에서 전하 디머화가 2×2×1 CDW와 공존할 수 있으며, 그 형성 원인은 무엇인가?
• RQ5 동적인 스핀 변동이 포논에 얼마나 강하게 결합하여 CDW 상태를 안정화시키는가?

주요 결과

• FeGe의 카고메 서브격자에서 2×2×1 전하 밀도파가 전하 디머화 초정오와 함께 공존한다.
• 자기 전이와 CDW 전이 사이의 전이 영역에서 전하 디머화 파장벡터 근처에서 포논 동역학적 구조 인자가 거대한 에너지 경화와 반폭 확장을 보인다.
• 관측된 포논 이질현상은 직접적으로 스핀-포논 결합과 관련이 있으며, 스핀과 격자 자유도 간의 강한 상호작용을 시사한다.
• 제1원리 계산은 정적인 및 동적인 스핀 진동이 CDW를 이끄는 격자 변형을 매개함을 확인한다.
• CDW 전이는 자성 질서가 아닌 스핀-포논 결합에 의해 이끌리며, 이는 공간 대칭성 파괴의 비자성 기원을 시사한다.
• 이 시스템은 전통적인 전자-포논 또는 스핀 밀도파 메커니즘과는 다름을 보이는 스핀-포논 구동 CDW 메커니즘을 나타낸다.