[논문 리뷰] Triple-Well Charge Density Wave Transition Driven by Cooperation between Peierls-like Effect and Antiferromagnetic Order in FeGe

Binhua Zhang, Junyi Ji외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 20.

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 페리티드 상태에서 격자 진동 불안정성이 없음에도 불구하고 안정된 삼중우물 전도도 밀도 파동(CDW) 상전이를 보이는 FeGe에서, CDW 전이가 페일레스 유사 효과와 반자성 질서 간의 상호작용에 의해 유도됨을 밝혀냈다. 여기서 Ge 1 p_z 오비탈의 에너지 준위가 0.5 eV 이상 아래로 이격되고, 패배 에너지가 고정되면서 CDW 상이 안정화되며, 자성 질서는 Fe-Ge 혼성 궤도를 약화시키고 Ge 오비탈 에너지를 낮춰, 오랫동안 해결되지 않았던 CDW 안정성의 역설을 풀어냈다.

ABSTRACT

Kagome materials provide a promising platform to explore intriguing correlated phenomena including magnetism, charge density wave (CDW), and nontrivial band topology. Recently, a CDW order was observed in antiferromagnetic kagome metal FeGe, sparking enormous research interests in intertwining physics of CDW and magnetism. Two of the core questions are (i) what are the driving forces of the CDW transition in FeGe and (ii) whether magnetism play a critical role in the transition. Such questions are critical as conventional mechanisms of van Hove singularities and Fermi surface nesting fail to explain the stable pristine phase, as well as the role of magnetism. Here, supported by density functional theory and tight-binding models, we unravel the triple-well CDW energy landscape of FeGe, indicating that both the pristine and CDW phases are locally stable. We point out that an entire downward shift of Ge band, instead of the previously proposed Fe bands, competes with the lattice distortion energy, driving the triple-well CDW transition. It is indeed a cooperation between the Peierls-like effect and the Fermi energy pinning phenomenon, which is distinct from the conventional Peierls effect that drives a double-well transition. Moreover, we demonstrate that the antiferromagnetic order also plays a critical role in driving the CDW transition, through weakening the Fe-Ge hybridization by exchange splitting and lowering the position of Ge-bands with respect to the Fermi energy. Our work thus not only deepens the understanding of the CDW mechanism in FeGe, but also indicates an intertwined connection between the emergent magnetism and CDW in kagome materials.

연구 동기 및 목표

• 순수 상태에서 격자 진동 불안정성이 없는 상황에서도 안정적이고 다중 안정적인 CDW 상이 존재하는 이유를 규명하는 것.
• 기본적인 CDW 메커니즘(예: 패배 표면의 일치 또는 반바이오스 특이점)이 관측된 CDW 전이를 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 이 카그롬 금속에서 반자성 질서가 CDW 상을 어떻게 유도하거나 안정화시키는지 조사하는 것.
• 기본적인 이중우물 페일레스 전이와는 다름없이 삼중우물 에너지 구조가 나타나는 현상의 미세한 기원을 밝혀내는 것.

제안 방법

• FeGe의 순수 상태 및 CDW 상태의 전자 구조와 에너지 구조를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산을 수행하였다.
• 전자 밴드 구조를 시뮬레이션하기 위해 타이트버랜딩(TB) 모델을 수립하였으며, DFT에서 유도된 원자 내 에너지와 전이 적분을 사용하여 격자 변형에 따른 밴드 분리 현상을 분석하였다.
• 자기 스핀 상호작용을 추출하기 위해 네 상태 에너지 매핑 방법을 적용하였으며, √3 × √3 × 1 초세포와 4×4×10 k-메쉬를 사용하였다.
• 자기 질서의 정당성과 CDW 전이에 미치는 영향을 검증하기 위해 30×30×1 초세포와 1 사이트당 100,000회의 몬테카를로(MC) 스텝을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 정확한 자기 모델링을 확보하기 위해 단일 이온 비대칭성 계산에 스핀-오비탈 결합 효과를 포함시켰다.
• 페일레스 유사 효과와 패배 에너지 고정 현상을 규명하기 위해 Ge 1 p_z 오비탈 밴드의 에너지 이동과 전자 집합도를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 상태에서 격자 진동 불안정성이 없음에도 불구하고 FeGe에서 삼중우물 CDW 에너지 구조가 무엇에 의해 유도되는가?
• RQ2 이 시스템에서 페일레스 유사 효과는 기존의 페일레스 전이와 어떻게 다를까? Ge 1 p_z 오비탈 밴드는 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 반자성 질서가 전자 구조 조절을 통해 CDW 전이에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 왜 기존의 CDW 메커니즘(패배 표면 일치 및 반바이오스 특이점)은 FeGe의 CDW를 설명하지 못하는가?

주요 결과

• FeGe의 CDW 전이에서는 삼중우물 에너지 구조를 보이며, 순수 상태와 CDW 상태 모두 국소적으로 안정되어 있어 고온 상태에서 격자 진동 불안정성이 나타나지 않는 이유를 설명한다.
• 주요 추진력은 Ge 1 dimerization 과정에서 Ge 1 p_z 밴드가 0.5 eV 이상 아래로 이격되는 페일레스 유사 효과이며, 이는 전체 시스템의 에너지를 낮춘다.
• 다른 원자와의 혼성화로 인한 패배 에너지 고정 현상으로 Ge 1 p_z 밴드가 완전히 충만해지며, 이는 CDW 상의 추가 안정화를 이끈다.
• 반자성 질서는 교환 분리 효과를 통해 Fe-Ge 혼성 궤도를 감소시키고, 패배 에너지 수준 대비 Ge 밴드 에너지를 낮춰 CDW 상의 안정성에 결정적인 역할을 한다.
• 페일레스 유사 효과와 자성 질서의 상호작용은 기존의 이중우물 페일레스 전이와는 다름없는 고유한 삼중우물 전이 메커니즘을 창출한다.
• 이론적 모델링은 CDW 상이 Fe 기반의 반바이오스 특이점이나 표면 일치에 의해 안정화되는 것이 아니라, Ge 오비탈 이동과 자성 질서의 상호작용에 의해 안정화됨을 확인하였다.