[论文解读] Altermagnetic Ground State in Distorted Kagome Metal CsCr$_3$Sb$_5$

Chenchao Xu, Siqi Wu+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究揭示，在常压下，kagome超导体CsCr₃Sb₅表现出一种$4\times2$的反铁磁自旋密度波（SDW）基态，其由强磁阻挫和电子关联驱动。在压力作用下，磁序被抑制，约5 GPa时发生Lifshitz转变，这是由于成键态的金属化所致，且磁涨落的持续存在支持了5 GPa以上可能为自旋三重态的非传统超导性。

ABSTRACT

The CsCr$_3$Sb$_5$ exhibits superconductivity in close proximity to a density-wave (DW) like ground state at ambient pressure\cite{Liu:2024aa}, however details of the DW is still elusive. Using first-principles density-functional calculations, we found its ground state to be a $4 imes2$ altermagnetic spin-density-wave (SDW) at ambient pressure, with an averaged effective moment of $\sim$1.7$μ_B$/Cr. The magnetic long range order is coupled to the lattice, generating 4$a_0$ structural modulation. Multiple competing SDW phases are present and energetically close, suggesting strong magnetic fluctuation at finite temperature. The electronic states near Fermi level are dominated by Cr-3$d$ orbitals, and the kagome flat bands are closer to the Fermi level than those in the $A$V$_3$Sb$_5$ family in paramagnetic state. When external pressure is applied, the energy differences between competing orders and structural modulations are suppressed. Yet, the magnetic fluctuation remains present and important even at high pressure because the high-symmetry kagome lattice is unstable in nonmagnetic phase up to 30 GPa. Our results suggest the crucial role of magnetism to stabilize the crystal structure, under both ambient and high pressure.

研究动机与目标

• 利用第一性原理计算，确定kagome超导体CsCr₃Sb₅的电子与磁性基态。
• 研究电子关联与磁阻挫在稳定非传统磁性中的作用。
• 考察磁序、结构调制与电子结构随压力的变化行为。
• 评估磁涨落与电子拓扑结构对CsCr₃Sb₅中超导性的影响。
• 阐明超导配对机制的本质，特别是自旋三重态配对的可能性。

提出的方法

• 采用含自旋极化的密度泛函理论（DFT），结合广义梯度近似（GGA），计算电子结构与磁性基态。
• 在多种共线磁构型下进行总能计算，以识别能量最低的自旋密度波（SDW）序。
• 分析非磁性（NM）与反铁磁序相反（IAFM）状态下的声子谱，以评估压力下的结构稳定性与软模行为。
• 追踪在静水压高达30 GPa下费米面与电子能带的演化，以检测Lifshitz转变。
• 使用含$J_1$、$J_2$、$J_3$与$J_3^h$项的海森堡自旋模型分析磁相互作用，但发现其不足以解释实验数据。
• 识别出在约5 GPa时，Cr-3d与Sb-4p轨道之间出现具有色散关系的成键态，靠近费米能级，标志Lifshitz转变的发生。

Figure 1: (a) Crystal structure of CsCr 3 Sb 5 with P6/mmm symmetry. (b) Definition of local axis for Cr atoms. The local $x$ -axis points to the center of triangles, whereas the local $y$ -axis points to the center of hexagon. (c) AF-ISOD SDW pattern inspired by inverse star-of-david charge order.

实验结果

研究问题

• RQ1 在常压下，CsCr₃Sb₅的磁性基态本质是什么？
• RQ2 在静水压下，竞争的自旋密度波（SDW）相与磁阻挫如何演化？
• RQ3 Lifshitz转变发生在何种压力下？其电子起源是什么？
• RQ4 长程磁序的抑制与超导性的出现之间存在何种关联？
• RQ5 磁涨落与电子关联在实现非传统超导性中起到何种作用？

主要发现

• 在常压下，CsCr₃Sb₅的基态为$4\times2$共线反铁磁自旋密度波（SDW）序，每个Cr原子的有效磁矩约为1.7 $\mu_B$。
• 多个竞争的SDW相在能量上几乎简并，表明常压下存在强烈的磁阻挫与涨落。
• 在压力作用下，竞争磁序之间的能量差显著减小，至30 GPa时，$\Delta E$降至数meV以内。
• 约5 GPa时发生Lifshitz转变，Cr-3d与Sb-4p轨道之间的成键态获得色散并穿过费米能级，导致金属化。
• 非磁性态在高达30 GPa下仍不稳定，表明即使在无长程磁序时，磁涨落仍持续存在。
• 强磁涨落、拓扑能带特征以及压力诱导的Lifshitz转变共存，支持5 GPa以上可能为自旋三重态的非传统超导配对机制。

Figure 2: (a-b) The phonon spectrum of CsCr 3 Sb 5 in NM state at (a) ambient pressure and (b) 30 GPa. (c) The phonon spectrum of CsCr 3 Sb 5 in IAFM state at ambient pressure. The soft modes are marked with blue circles.