[论文解读] Anomalous quasiparticles in the zone center electron pocket of the kagomé ferromagnet Fe3Sn2

Sandy Adhitia Ekahana, Yeong‐Ah Soh+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用 4

一句话总结

本研究利用微聚焦激光角分辨光电子能谱（micro-ARPES）在铁硅锰kagome铁磁体Fe3Sn2的布里渊区中心电子口袋中解析出清晰定义的准粒子，揭示了三重对称的电子口袋以及异常长的准粒子平均自由程。研究结果表明，这些现象与费米能级上方的平坦能带密切相关，而这一效应在现有金属kagome铁磁体理论中尚未得到解释。

ABSTRACT

One material containing kagome bilayers and featuring both exceptional magnetism and electron transport is the ferromagnetic metal Fe3Sn2. Notwithstanding the widespread interest in Fe3Sn2, crystal twinning, difficulties in distinguishing surface from bulk states, and a large unit cell have until now prevented the synchrotron-based spectroscopic observation of sharply resolved quasiparticles near the Fermi surface which could be responsible for the anomalous properties appearing at low temperatures for the material. Here we report microfocused laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy (micro-ARPES), which offers the first look at such quasiparticles. The high spatial resolution allows individual crystal twin domains to be examined in isolation, resulting in the discovery of three-fold symmetric electron pockets at the Brillouin zone (BZ) center, not predicted by early tight-binding descriptions but in agreement with density functional theory (DFT) calculations, which also feature Weyl nodes. The quasiparticles in these pockets have remarkably long mean free paths, and their Fermi surface area is consistent with reported quantum oscillations. At the same time, though, the best-defined Fermi surface is reduced at low temperature, and the quasiparticles generally are marginal in the sense that their wavelength uncertainty is of order the deviation of the quasiparticle wavelength from the Fermi vector. We attribute these manifestations of strong electron-electron interactions to a flat band predicted by our DFT to lie just above the dispersive bands seen in this experiment. Thus, beyond demonstrating the impact of twin averaging for ARPES measurements of band structures, our experiments reveal many-body physics unaccounted for by current theories of metallic kagome ferromagnets.

研究动机与目标

• 为克服传统ARPES在Fe3Sn2中因晶体重合孪晶和体-表面态混合导致的局限性。
• 以高空间和能量分辨率解析Fe3Sn2中布里渊区中心电子口袋的电子结构。
• 确定该kagome铁磁体中异常低温性质的起源。
• 研究电子-电子相互作用在金属kagome体系中准粒子行为形成过程中的作用。

提出的方法

• 采用微聚焦激光角分辨光电子能谱（micro-ARPES）以实现高空间分辨率。
• 在孤立的孪晶域上进行测量，以避免晶体重合孪晶导致的平均化效应。
• 利用密度泛函理论（DFT）计算模拟电子能带结构，并验证实验观测结果。
• 将实验测得的费米面面积与量子振荡数据进行比较，以确认准粒子的一致性。
• 分析准粒子寿命和谱权重，以评估多体效应和相互作用强度。
• 绘制动量空间中的色散关系和费米面拓扑结构，以识别三重对称的电子口袋。

实验结果

研究问题

• RQ1 在消除孪晶域平均效应后，Fe3Sn2布里渊区中心电子口袋的真实电子结构是什么？
• RQ2 为何Fe3Sn2中的准粒子尽管存在强电子关联，却表现出异常长的平均自由程？
• RQ3 所观测到的费米面特征如何与该材料中报道的量子振荡行为相关联？
• RQ4 为何准粒子表现出边缘行为，其波长不确定性与费米波矢的偏离程度相当，这背后的物理机制是什么？
• RQ5 费米能级附近的平坦能带在多大程度上介导了该kagome铁磁体中强电子-电子相互作用？

主要发现

• 在布里渊区中心观测到三重对称的电子口袋，该结果未被早期紧束缚模型预测，但与DFT计算结果一致。
• 电子口袋中的准粒子表现出显著的长平均自由程，表明尽管存在强关联，仍具有高度相干性。
• 观测到的电子口袋费米面面积与从量子振荡测量中推断的面积一致。
• 最清晰的费米面特征在低温下减弱，表明准粒子相干性发生破坏。
• 准粒子表现出边缘行为，其波长不确定性与偏离费米波矢的程度相当，表明存在强电子-电子相互作用。
• DFT预测的位于色散能带之上的平坦能带被识别为异常多体效应的可能起源。