[论文解读] A flat band-induced correlated kagome metal

Linda Ye, Shiang Fang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用 16

一句话总结

该论文首次在天然kagome金属Ni3In中实现了部分填充的平坦能带，其中三角形结构中的Ni 3d轨道诱导了量子干涉的破坏性叠加，使费米能级附近的能带色散变平。该平坦能带表现出强烈的电子关联效应，表现为非费米液体行为和局域磁涨落，表明其接近量子临界点，并为真实材料中由平坦能带驱动的关联现象提供了平台。

ABSTRACT

The notion of an electronic flat band refers to a collectively degenerate set of quantum mechanical eigenstates in periodic solids. The vanishing kinetic energy of flat bands relative to the electron-electron interaction is expected to result in a variety of many-body quantum phases of matter. Despite intense theoretical interest, systematic design and experimental realization of such flat band-driven correlated states in natural crystals have remained a challenge. Here we report the realization of a partially filled flat band in a new single crystalline kagome metal Ni$_3$In. This flat band is found to arise from the Ni $3d$-orbital wave functions localized at triangular motifs within the kagome lattice plane, where an underlying destructive interference among hopping paths flattens the dispersion. We observe unusual metallic and thermodynamic responses suggestive of the presence of local fluctuating magnetic moments originating from the flat band states, which together with non-Fermi liquid behavior indicate proximity to quantum criticality. These results demonstrate a lattice and orbital engineering approach to designing flat band-based many-body phenomena that may be applied to integrate correlation with topology and as a novel means to construct quantum criticality.

研究动机与目标

• 在具有可调电子关联性的天然晶体kagome金属中实现平坦能带。
• 证明在Ni3In中通过轨道和晶格工程可在费米能级附近稳定平坦能带。
• 探测来自平坦能带集合的多体量子相的出现，包括非费米液体行为和局域磁涨落。
• 建立一个用于研究平坦能带诱导关联效应的材料平台，包括潜在的拓扑序和量子临界现象。

提出的方法

• 通过催化反应法合成高质量的Ni3In单晶，并通过X射线衍射确认。
• 在先进光源（Advanced Light Source）进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以亚20 meV能量分辨率和0.01 Å⁻¹动量分辨率映射电子能带结构。
• 使用VASP进行密度泛函理论（DFT）计算，采用PAW和PBE泛函，随后通过Wannier90程序构建Wannier函数，以推导紧束缚模型。
• 利用STEM和FIB离子束铣削制备电子透明的薄膜样品，用于结构表征。
• 开展全面的物理性质测量，包括电输运、比热和磁化率，以探测关联效应。
• 基于kagome三角形上三个Ni原子形成的分子轨道样轨道，构建一个有效的四带模型，以解释平坦能带的形成机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 天然kagome金属能否容纳一个部分填充的平坦能带并表现出强电子关联？
• RQ2 Ni3In中非费米液体行为和局域磁涨落的起源是什么，它们与平坦能带之间有何关联？
• RQ3 Ni3In中的轨道和晶格几何结构如何导致破坏性干涉，从而抑制能带色散？
• RQ4 在真实材料中，平坦能带驱动的关联态（如量子临界性或拓扑序）在多大程度上可以被工程调控？
• RQ5 在Ni3In中，电子关联与平坦能带物理的相互作用是否可通过温度和磁场等外部参数探测并调控？

主要发现

• 通过高分辨率ARPES测量，在Ni3In中费米能级附近首次实验观测到平坦能带，其色散宽度小于20 meV。
• 该平坦能带源于kagome晶格中三角形结构内的Ni 3d轨道，其中不同跃迁路径之间的量子干涉导致破坏性叠加，从而抑制了动能。
• 电输运测量中观测到非费米液体行为，表明存在强电子关联效应并接近量子临界点。
• 热力学和输运响应表明存在局域磁涨落，暗示平坦能带集合中存在动态磁矩。
• DFT与基于Wannier的建模结果证实，该平坦能带主要由Ni d_{xy}和d_{xz}轨道组成，且简化后的四带模型能准确捕捉其核心物理机制。
• 基于三个Ni原子构成的三角形上的分子轨道样有效模型，可重现平坦能带色散，并支持轨道杂化在能带平坦化中的关键作用。