[论文解读] Flat optical conductivity in the topological kagome magnet TbMn$_6$Sn$_6$

Rongsheng Li, Tan Zhang+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过红外光谱实验观测并结合第一性原理计算，揭示了在宽广能量范围（1800–3000 cm⁻¹）内，拓扑kagome磁体TbMn₆Sn₆表现出平坦的光学电导率。该平坦性并非仅源于狄拉克能带，而是由具有质量的准二维狄拉克能带与平凡能带共同贡献所致，尽管狄拉克能带具有拓扑重要性，但其对光学响应的贡献较小，主导光学响应的是平凡能带。

ABSTRACT

Kagome magnet TbMn$_6$Sn$_6$ is a new type of topological material that is known to support exotic quantum magnetic states. Experimental work has identified that TbMn$_6$Sn$_6$ hosts Dirac electronic states that could lead to topological and Chern quantum phases, but the optical response of the Dirac fermions of TbMn$_6$Sn$_6$ and its properties remain to be explored. Here, we perform optical spectroscopy measurement combined with first-principles calculations on single-crystal sample of TbMn$_6$Sn$_6$ to investigate the associated exotic phenomena. TbMn$_6$Sn$_6$ exhibits frequency-independent optical conductivity spectra in a broad range from 1800 to 3000 cm$^{-1}$ (220-370 meV) in experiments. The theoretical band structures and optical conductivity spectra are calculated with several shifted Fermi energy to compare with the experiment. The theoretical spectra with 0.56 eV shift for Fermi energy are well consistent with our experimental results. Besides, the massive quasi-two-dimensional (quasi-2D) Dirac bands, which have linear band dispersion in $k_x$-$k_y$ plane and no band dispersion along the $k_z$ direction, exist close to the shifted Fermi energy. According to tight-binding model analysis, the quasi-2D Dirac bands give rise to a flat optical conductivity, while its value is smaller than, about one tenth of, that from the calculations and experiments. It indicates that the other trivial bands also contribute to the flat optical conductivity.

研究动机与目标

• 研究拓扑kagome磁体TbMn₆Sn₆中狄拉克费米子的光学响应。
• 确定在中红外波段观察到的频率无关光学电导率的起源。
• 分离拓扑狄拉克能带与平凡能带对光学电导率的贡献。
• 阐明自旋-轨道耦合与费米能级对齐在塑造光学响应中的作用。
• 通过将费米能级进行偏移的首群体计算验证实验结果。

提出的方法

• 通过角分辨光电子能谱（ARPES）和扫描隧道显微镜（STM）确认费米能级附近存在具有质量的狄拉克能带。
• 对单晶TbMn₆Sn₆进行傅里叶变换红外（FTIR）光谱测量，以测定面内反射率并提取50–32,000 cm⁻¹范围内的光学电导率。
• 利用VASP软件，采用PBE-GGA泛函和投影缀加势（PAW）赝势进行第一性原理计算，以获得电子能带结构和光学响应。
• 通过公式 σ₁(ω) = ω/4π × Imε(ω) 计算光学电导率，利用纵向介电函数分离动带间与动带内（Drude）贡献。
• 系统性地在计算中调整费米能级（0、0.32和0.56 eV），以匹配实验谱线并确定最佳对齐。
• 应用紧束缚模型分析，以分离准二维狄拉克能带对光学电导率的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 TbMn₆Sn₆在宽广能量范围内为何表现出平坦的光学电导率？
• RQ2 拓扑狄拉克能带在观测到的光学电导率中贡献有多大？
• RQ3 费米能级对齐如何影响理论与实验光学电导率的一致性？
• RQ4 在缺乏强狄拉克能带贡献的情况下，平凡能带在塑造光学响应中起什么作用？
• RQ5 自旋-轨道耦合与层状kagome结构如何影响TbMn₆Sn₆的光学性质？

主要发现

• 实验测得的TbMn₆Sn₆光学电导率在1800至3000 cm⁻¹（220–370 meV）范围内保持平坦且与频率无关，表明存在强烈的、能量无关的响应。
• 当费米能级在计算中向上偏移0.56 eV时，理论计算结果与实验光学电导率谱线最佳匹配。
• 在偏移后的费米能级附近，发现具有线性色散关系的准二维狄拉克能带，其在kₓ-kᵧ平面内具有线性色散，沿k_z方向无色散。
• 尽管存在拓扑狄拉克能带，其对光学电导率的贡献仅占总量的约十分之一，表明平凡能带起主导作用。
• 平坦的光学电导率并非狄拉克锥型色散的直接特征，而是狄拉克能带与平凡能带共同作用的结果。
• 在不同k_z平面的能带结构计算结果证实了准二维狄拉克能带的鲁棒性及其自旋-轨道特性（Mn dₓy和dₓ²轨道）。