[论文解读] Electron correlations and charge density wave in the topological kagome metal FeGe

Chandan Setty, Christopher Lane+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 8

一句话总结

本文提出铁锗磁性凯库梅金属中电荷序的最小模型，表明具有陈数±1的拓扑平坦能带与强电子关联共同驱动关联电荷序相。非平庸能带拓扑、磁序与电子关联的相互作用产生了拓扑边缘态和额外的面外磁矩——这些是关联拓扑物理的关键特征指纹，非磁性凯库梅体系中未见。

ABSTRACT

Charge order in kagome metals is of extensive current interest. Recently, a charge density wave was discovered in the magnetic binary kagome metal FeGe. In analogy to its predecessor, the non-magnetic $A$V$_3$Sb$_5$ ($A$=K, Cs, Rb), the in-plane ordering occurs at the $M$ point. In contrast, however, the system manifestly shows effects of substantial correlations. Here we identify the topological bands crossing the Fermi energy (E$_F$) in FeGe and characterize the correlation-induced renormalization of these bands. We then derive a charge order from an effective model comprising topological kagome `flat' bands in the presence of a magnetic order. We demonstrate edge states as well as excess out-of-plane magnetic moment associated with the charge order; both are fingerprints of non-trivial band topology and consistent with recent experimental observations. Our results point to FeGe as an ideal platform to realize and elucidate correlated topological physics.

研究动机与目标

• 理解磁性凯库梅金属FeGe中电荷序的起源，其与非磁性凯库梅体系（如AV3Sb5）的区别。
• 确定拓扑平坦能带与电子关联在驱动观测到的电荷序及关联的奇异态中的作用。
• 解释在TCO以下出现的拓扑边缘态与额外磁矩的起源，这些特征无法被传统模型捕捉。
• 建立一个最小有效模型，以捕捉FeGe电子结构中拓扑、关联与磁性的相互作用。
• 证明额外磁矩与边缘态是关联磁性相中非平庸能带拓扑的特征指纹。

提出的方法

• 利用第一性原理DFT与DMFT计算，在考虑自旋-轨道耦合的FeGe磁性相中识别出穿越费米能级的拓扑平坦能带。
• 从拓扑能带构建Wannier轨道，推导出平坦能带的低能紧束缚模型。
• 在凯库梅晶格上构建扩展的Hubbard模型，其相互作用强度与平坦能带的能带宽度相当。
• 采用辅助自旋方法非微扰求解低能模型，并分析电荷序相。
• 分析所得电荷序相中的拓扑边缘态与自旋依赖的序参量，这些参量诱导出额外磁矩。
• 证明沿静态磁序方向的诱导磁矩是能带拓扑与自旋-轨道耦合的直接特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeGe中的电荷序起源是什么？其与非磁性AV3Sb5凯库梅金属中的电荷序有何不同？
• RQ2 电子关联与非平庸能带拓扑如何共同影响FeGe中电荷序的形成？
• RQ3 为何FeGe在TCO以下表现出拓扑边缘态与额外磁矩？这些特征的拓扑起源是什么？
• RQ4 基于拓扑平坦能带与强关联的最小模型能否再现FeGe中的关键实验观测？
• RQ5 磁性母相在稳定电荷序与诱导非平庸自旋纹理中扮演何种角色？

主要发现

• 第一性原理计算（含自旋-轨道耦合）证实，在FeGe的磁性相中，陈数为±1的拓扑平坦能带穿越费米能级。
• 电子关联诱导出波矢为布里渊区M点的电荷序，与实验观测一致。
• 由于母磁性相的非平庸能带拓扑，电荷序相中存在拓扑边缘态。
• 在TCO以下，出现额外的面外磁矩，其直接关联于拓扑能带中自旋与电荷自由度的交织。
• 由于序参量中存在有限波矢、非自旋翻转项，诱导磁矩被钉扎在既有的磁序方向上，这是能带拓扑的特征信号。
• 即使态密度部分禁带（费米能级附近抑制30–40%），由于强拓扑保护，边缘态仍保持光谱可见。