[論文レビュー] Electron correlations and charge density wave in the topological kagome metal FeGe

Chandan Setty, Christopher Lane+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、磁性ケイゴム金属FeGeにおける電荷秩序の最小モデルを提案し、トポロジカルなフラットバンド（チャーン数±1）と強い電子相関が相関的電荷秩序相を駆動することを示している。非自明なバンドトポロジー、磁性秩序、電子相関の相互作用により、トポロジカル的エッジ状態と過剰な面外磁気モーメントが生じる——これは非磁性ケイゴム系では観察されない相関的トポロジカル物理学の主要な指標である。

ABSTRACT

Charge order in kagome metals is of extensive current interest. Recently, a charge density wave was discovered in the magnetic binary kagome metal FeGe. In analogy to its predecessor, the non-magnetic $A$V$_3$Sb$_5$ ($A$=K, Cs, Rb), the in-plane ordering occurs at the $M$ point. In contrast, however, the system manifestly shows effects of substantial correlations. Here we identify the topological bands crossing the Fermi energy (E$_F$) in FeGe and characterize the correlation-induced renormalization of these bands. We then derive a charge order from an effective model comprising topological kagome `flat' bands in the presence of a magnetic order. We demonstrate edge states as well as excess out-of-plane magnetic moment associated with the charge order; both are fingerprints of non-trivial band topology and consistent with recent experimental observations. Our results point to FeGe as an ideal platform to realize and elucidate correlated topological physics.

研究の動機と目的

• 磁性ケイゴム系（AV3Sb5など）とは異なる、磁性ケイゴム金属FeGeにおける電荷秩序の起源を理解すること。
• トポロジカルなフラットバンドと電子相関が、観測された電荷秩序および関連する特異な状態を駆動する役割を特定すること。
• TCO未満で観測されるトポロジカル的エッジ状態と過剰な磁気モーメントの出現を、従来のモデルでは捉えきれない理由を説明すること。
• トポロジー、相関、磁性の相互作用を捉えた最小有効モデルを確立すること。
• 過剰な磁気モーメントとエッジ状態が、相関的磁性相における非自明なバンドトポロジーの指標であることを示すこと。

提案手法

• スピン軌道結合を含む第一原理DFT計算とDMFT計算を用いて、FeGeの磁性相におけるフェルミ準位を通過するトポロジカルなフラットバンドを同定する。
• トポロジカルバンドからWannier軌道を構築し、フラットバンドの低エネルギータイトビンディングモデルを導出する。
• ケイゴム格子上に、フラットバンドのバンド幅と同等の相互作用を有する拡張ハーバードモデルを定式化する。
• 低エネルギーモデルを非摂動的に解くためにスレーブスピン法を適用し、電荷秩序相を分析する。
• 得られた電荷秩序状態のトポロジカル的エッジ状態とスピン依存の秩序パラメータを分析し、過剰な磁気モーメントの発生を検証する。
• 静的磁場方向に誘導された磁気モーメントが、バンドトポロジーとスピン軌道結合の直接的指標であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeGeにおける電荷秩序の起源は何か？ また、非磁性ケイゴム系（AV3Sb5など）における電荷秩序とはどのように異なるか？
• RQ2 電子相関と非自明なバンドトポロジーが、FeGeにおける電荷秩序形成にどのように共同で寄与するか？
• RQ3 なぜFeGeはTCO未満でトポロジカル的エッジ状態と過剰な磁気モーメントを示すのか？ これらの特徴のトポロジカル的起源は何か？
• RQ4 トポロジカルなフラットバンドと強い相関に基づく最小モデルが、FeGeの主要な実験的観測を再現できるか？
• RQ5 磁性母相が、電荷秩序の安定化および非自明なスピンテクスチャの誘導に果たす役割は何か？

主な発見

• 第一原理計算によるスピン軌道結合の考慮のもと、FeGeの磁性相において、チャーン数±1のトポロジカルなフラットバンドがフェルミ準位を通過することが確認された。
• 電子相関が、ブリユアンゾーンのM点に相当する波数qを持つ電荷秩序を誘導し、実験的観測と整合的である。
• 電荷秩序相は、母体磁性相の非自明なバンドトポロジーのおかげで、トポロジカル的エッジ状態を有する。
• TCO未満で、過剰な面外磁気モーメントが出現し、これはトポロジカルバンドにおけるスピンと電荷自由度の複雑な結合に起因する。
• 有限の波数、スピン非反転項を有する秩序パラメータのおかげで、誘導された磁気モーメントは既存の磁性秩序方向にピンされ、バンドトポロジーの直接的指標となる。
• フェルミ準位近傍で状態密度が30–40%程度に抑制されても、強いトポロジカル的保護のおかげでエッジ状態はスペクトル的に明確に可視である。