[论文解读] Charge-density waves in kagome-lattice extended Hubbard models at the van Hove filling

Francesco Ferrari, Federico Becca+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 65被引用 49

一句话总结

本研究利用变分Jastrow-Slater波函数，研究了在van Hove填充（5/6）时，kagome晶格上扩展Hubbard模型中的电荷密度波（CDW）不稳定性。结果表明，近邻排斥作用（V）会诱导出具有强烈电荷非均匀性的CDW，这与AV3Sb5中实验观测到的2×2 CDW结构不相容；而通过Su-Schrieffer-Heeger模型引入的电子-声子耦合则稳定了与实验观测一致的三六边形晶格畸变，表明晶格自由度在CDW形成中起关键作用。

ABSTRACT

The Hubbard model on the kagome lattice is presently often considered as a minimal model to describe the rich low-temperature behavior of AV$_{3}$Sb$_{5}$ compounds (with A=K, Rb, Cs), including charge-density waves (CDWs), superconductivity, and possibly broken time-reversal symmetry. Here, we investigate, via variational Jastrow-Slater wave functions, the properties of its ground state when both onsite $U$ and nearest-neighbor $V$ Coulomb repulsions are considered at the van Hove filling. Our calculations reveal the presence of different interaction-driven CDWs and, contrary to previous renormalization-group studies, the absence of ferromagnetism and charge- or spin-bond order. No signatures of chiral phases are detected. Remarkably, the CDWs triggered by the nearest-neighbor repulsion possess charge disproportionations that are not compatible with the ones observed in AV$_{3}$Sb$_{5}$. As an alternative mechanism to stabilize charge-bond order, we consider the electron-phonon interaction, modeled by coupling the hopping amplitudes to quantum phonons, as in the Su-Schrieffer-Heeger model. Our results show the instability towards a tri-hexagonal distortion with $2 imes 2$ periodicity, in a closer agreement with experimental findings.

研究动机与目标

• 确定电子关联作用（U和V）在kagome Hubbard模型中van Hove填充（5/6）时驱动电荷有序不稳定性的作用。
• 评估扩展Hubbard模型本身是否足以稳定AV3Sb5中实验观测到的具有C6对称性的2×2 CDW。
• 研究先前重整化群研究预测的手性、铁磁性和键序相的稳定性。
• 评估电子-声子耦合在稳定与AV3Sb5实验观测一致的CDW模式中的作用。
• 解决功能型重整化群预测与变分蒙特卡洛结果之间关于基态性质的矛盾。

提出的方法

• 采用变分Jastrow-Slater波函数近似基态，将无关联的Slater行列式与Jastrow因子结合以描述长程关联。
• 使用随机变分蒙特卡洛方法计算电荷密度、自旋结构因子和密度-密度关联函数等可观测量。
• 通过对Jastrow参数和自旋依赖的跃迁项进行能量最小化，评估各种破缺对称性相的稳定性。
• 通过Su-Schrieffer-Heeger模型引入电子-声子耦合，其中跃迁幅度受量子声子调制，以模拟晶格畸变。
• 通过分析密度-密度结构因子的长波行为，区分金属相与绝缘相。
• 通过在辅助哈密顿量H0中引入复数跃迁项和自旋不对称跃迁项，测试手性与自旋键序的存在，并监测其优化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在kagome晶格上，5/6填充的扩展Hubbard模型能否稳定如AV3Sb5中观测到的具有C6对称性的2×2 CDW？
• RQ2 仅由电子排斥作用（U和V）是否会导致如功能型重整化群研究所述的电荷键序或手性相？
• RQ3 为何先前的重整化群研究预测出现铁磁性和键序，而本变分蒙特卡洛研究未发现此类不稳定性？
• RQ4 通过Su-Schrieffer-Heeger机制引入的电子-声子耦合能否稳定具有2×2周期性的三六边形晶格畸变，与AV3Sb5中实验CDW模式一致？
• RQ5 晶格畸变在稳定实验观测到的CDW中的作用，相较于纯粹的电子不稳定性，其作用是什么？

主要发现

• 纯电子模型中，U和V无法稳定具有C6对称性的2×2 CDW；相反，V诱导的CDW在相邻原子间表现出强烈的电荷非均匀性，与实验观测不相容。
• 在关联的Jastrow-Slater波函数中未发现铁磁性、电荷键序或自旋键序的证据，与先前的功能型重整化群预测相矛盾。
• 通过Su-Schrieffer-Heeger模型引入电子-声子耦合后，沿孤立六边形方向形成短键，稳定了三六边形2×2 CDW结构。
• 电子-声子机制导致的电荷重排与AV3Sb5化合物中观测到的“星形大卫”和三六边形图案高度一致。
• 为实现手性CDW序所需的复数跃迁项在能量最小化过程中消失，表明电子模型中不存在时间反演对称性破缺。
• 密度-密度结构因子的长波行为证实2×2 CDW相中存在电荷能隙，而金属相则表现出|q|²/N(q)随|q|→0时的线性衰减。