[논문 리뷰] Flat band-engineered spin-density wave and the emergent multi-$k$ magnetic state in the topological kagome metal Mn$_{3}$Sn

Xiao Wang, Fengfeng Zhu외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 07.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 상전이가 일어나는 280 K 이하에서, 토폴로지적 평판 밴드의 피에르 표면 낙차에 의해 유도된 평판 밴드 기반 스핀 밀도 파동(SDW) 질서를 갖는 토폴로지적 카그롬 메탈 Mn₃Sn에서 규명한다. 중성자 회절 및 DFT 계산을 통한 분석을 통해 280 K 이하에서 이중-k 비공면 비공배율 자성 상태로의 전이가 확인되었으며, 상호조화 조화성분(2kₗ + kₜ)은 다중-k 자성 기저 상태를 명확히 규명한다.

ABSTRACT

Magnetic kagome metals, in which topologically non-trivial band structures and electronic correlation are intertwined, have recently emerged as an exciting platform to explore exotic correlated topological phases, that are usually not found in weakly interacting materials described within the semi-classical picture of electrons. Here, via a comprehensive single-crystal neutron diffraction and first-principles density functional theory study of the archetypical topological kagome metal Mn$_3$Sn, which is also a magnetic Weyl fermion material and a promising chiral magnet for antiferromagnetic spintronics, we report the realisation of an emergent spin-density wave (SDW) order, a hallmark correlated many-body phenomenon, that is engineered by the Fermi surface nesting of topological flat bands. We further reveal that the phase transition, from the well-known high-temperature coplanar and non-collinear k = 0 inverse triangular antiferromagnetic order to a double-$k$ non-coplanar modulated incommensurate magnetic structure below $T_1$ = 280 K, is primarily driven by the SDW instability. The double-$k$ nature of this complex low-temperature magnetic order, which can be regarded as an intriguing superposition of a longitudinal SDW with a modulation wavevector k$_L$ and a transverse incommensurate helical magnetic order with a modulation wavevector k$_T$, is unambiguously confirmed by our observation of the inter-modulation high-order harmonics of the type of 2k$_L$+k$_T$. This discovery not only solves a long-standing puzzle concerning the nature of the phase transition at $T_1$, but also provides an extraordinary example on the intrinsic engineering of correlated many-body phenomena in topological matter. The identified multi-$k$ magnetic state can be further exploited for the engineering of the new modes of magnetization and chirality switching in antiferromagnetic spintronics.

연구 동기 및 목표

• Mn₃Sn에서 T₁ = 280 K에서 발생하는 상전이의 성격에 대한 오랫동안 미해결된 수수께끼를 해결하기 위해.
• 카그롬 금속에서 토폴로지적 평판 밴드가 스핀 밀도 파동(SDW) 불안정성을 유도하는 역할를 조사하기 위해.
• Mn₃Sn에서 나타나는 새로운 다중-k 자성 질서를 특성화하고 그 기초가 되는 波벡터 구조를 규명하기 위해.
• 강한 상관 효과를 갖는 토폴로지 물질에서 전자 구조의 토폴로지, 피에르 표면 낙차, 그리고 상관 자성 질서 간의 연관성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 다양한 산란 기하구조(xsf, zsf, znsf)를 사용한 단결정 중성자 회절을 통해 자성 구조 및 파동벡터 성분을 탐색하기 위해.
• D23 비트라인에서의 고해상도 Q-스캔을 통해 조향 파동벡터를 정밀하게 결정하고 상호조화 조화성분을 식별하기 위해.
• 스핀-오르빗 결합과 실온에서의 k = 0 자성 질서를 포함한 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하여 전자 밴드 구조 및 피에르 표면을 모델링하기 위해.
• 다양한 채널에서의 자성 산란 강도 분석을 통해 자성 모멘트 성분을 추출하고 이중-k 구조를 검증하기 위해.
• 고차 조화 반사의 인덱싱을 통해 단일-k와 다중-k 자성 질서를 구별하기 위해, 특히 2kₗ + kₜ 대비 3kₜ를 시험하기 위해.
• 자기 질서 유무에 따라 피에르 표면 및 상태 밀도(DOS)를 계산하여 낙차 조건과 평판 밴드 효과를 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T₁ = 280 K에서 Mn₃Sn의 상전이를 이끄는 원인는 무엇이며, 이는 스핀 밀도 파동(SDW) 불안정성과 관련이 있는가?
• RQ2 저온 자성 질서의 진정한 성격은 무엇인가—특히 이중-k 비공면 비공배율 구조인가?
• RQ3 상호조화 고차 조화성분(예: 2kₗ + kₜ)을 실험적으로 관측할 수 있으며, 이는 다중-k 자성 기저 상태를 확인하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 피에르 수준 근처의 토폴로지적 평판 밴드는 Mn₃Sn에서 자성 불안정성과 SDW 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 카그롬 격자에서의 평판 밴드 피에르 표면 낙차는 상관 다체 자성 질서를 얼마나 촉진하는가?

주요 결과

• T₁ = 280 K에서의 상전이는 전통적인 자성 정렬이 아닌 스핀 밀도 파동(SDW) 불안정성에 의해 주로 유도된다.
• 저온 자성 상태는 종단 SDW(kₗ)와 횡방향 나선형 질서(kₜ)로 구성된 이중-k 비공면 비공배율 구조이다.
• 형태가 2kₗ + kₜ인 상호조화 고차 조화성분이 실험적으로 관측되었으며, 이는 다중-k 자성 질서의 성격을 명확히 확인한다.
• 브릴루앙 영역의 K–M–K 경로에서의 평판 밴드는 피에르 수준(E_F + 81 meV) 근처에서 밀도 상태의 날카운 피크를 유도하여 강한 피에르 표면 낙차를 가능하게 한다.
• (h,0,l), (h,k,0), 또는 (h,h,l) 평면에서는 피에르 표면 낙차 조건을 발견하지 못했지만, E_F 근처의 평판 밴드가 평판 밴드 부분 간의 낙차를 통해 SDW 불안정성을 유도한다.
• 자기 구조는 토폴로지적 평판 밴드와 전자 상관 효과의 상호작용에 의해 안정화되며, 이는 토폴로지 물질에서 상관 다체 현상의 내재적 공학을 보여준다.