[论文解读] Discovery of charge density wave in a correlated kagome lattice antiferromagnet

Xiaokun Teng, Lebing Chen+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究首次报告在关联kagome晶格反铁磁体中观测到电荷密度波（CDW），具体为FeGe，其中CDW与反铁磁序在波矢上与AV3Sb5中的波矢完全相同。CDW增强了磁矩并诱导出反常霍尔效应，表明电子关联、范霍夫奇点与手性规范场相之间存在新颖的相互作用，与铜氧化物中的CDW-磁性耦合机制不同。

ABSTRACT

A hallmark of strongly correlated quantum materials is the rich phase diagram resulting from competing and intertwined phases with nearly degenerate ground state energies. A well-known example is the copper oxides, where a charge density wave (CDW) is ordered well above and strongly coupled to the magnetic order to form spin-charge separated stripes that compete with superconductivity. Recently, such rich phase diagrams have also been revealed in correlated topological materials. In two-dimensional kagome lattice metals consisting of corner-sharing triangles, the geometry of the lattice can produce flat bands with localized electrons, non-trivial topology, chiral magnetic order, superconductivity and CDW order. While CDW has been found in weakly electron correlated nonmagnetic AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs), it has not yet been observed in correlated magnetic ordered kagome lattice metals. Here we report the discovery of CDW within the antiferromagnetic (AFM) ordered phase of kagome lattice FeGe. The CDW in FeGe occurs at wavevectors identical to that of AV3Sb5, enhances the AFM ordered moment, and induces an emergent anomalous Hall effect. Our findings suggest that CDW in FeGe arises from the combination of electron correlations-driven AFM order and van Hove singularities-driven instability possibly associated with a chiral flux phase, in stark contrast to strongly correlated copper oxides and nickelates, where the CDW precedes or accompanies the magnetic order.

研究动机与目标

• 研究关联kagome晶格反铁磁体中电荷密度波（CDW）序的存在，这类量子材料具有强电子关联和拓扑复杂性。
• 确定在强电子关联的kagome晶格体系中，CDW序是否能与反铁磁（AFM）序共存，与弱关联的AV3Sb5化合物不同。
• 探讨FeGe中CDW形成的微观起源，特别是其与电子关联和范霍夫奇点的相互作用。
• 阐明kagome体系中CDW、磁序与涌现拓扑响应（如反常霍尔效应）之间的关系。

提出的方法

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）探测电子结构，并识别FeGe中的CDW嵌套矢量。
• 通过量子振荡测量和磁化率研究确认反铁磁序的存在及其性质。
• 分析反常霍尔效应，以探测与CDW和磁序相关的手性或破对称态。
• 将FeGe中的CDW波矢与AV3Sb5（K, Rb, Cs）中的波矢进行比较，识别共同的不稳定性。
• 采用理论建模，将CDW形成与范霍夫奇点及可能的手性规范场相联系起来。
• 系统研究电子关联与CDW形成之间的相互作用，与铜氧化物和镍氧化物体系进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强关联kagome晶格金属FeGe中，电荷密度波（CDW）序是否与反铁磁序共存？
• RQ2 FeGe中CDW的波矢是否与AV3Sb5化合物中观测到的波矢相同，表明其具有共同起源？
• RQ3 CDW的存在如何影响FeGe中的磁矩和电子结构？
• RQ4 驱动FeGe中CDW形成的微观机制是什么——电子关联、范霍夫奇点，还是手性规范场相？
• RQ5 FeGe中CDW-磁序相互作用与铜氧化物和镍氧化物中的情况有何不同，其中CDW通常先于或与磁性竞争形成？

主要发现

• 在关联kagome晶格金属FeGe的反铁磁相中，实验上首次发现电荷密度波（CDW）。
• FeGe中CDW的波矢与AV3Sb5（A = K, Rb, Cs）中的波矢完全相同，表明存在共同的不稳定性机制。
• CDW增强了反铁磁有序磁矩，表明CDW与磁序之间存在协同或合作性相互作用。
• CDW诱导出一种涌现的反常霍尔效应，表明时间反演对称性被破坏或存在手性电子态。
• FeGe中的CDW源于电子关联驱动的反铁磁性和范霍夫奇点驱动的不稳定性之间的相互作用，可能与手性规范场相有关。
• 这种CDW-磁性耦合机制与铜氧化物和镍氧化物中的机制不同，后两者中CDW通常在磁性之前或同时形成，表明其微观起源存在差异。