[论文解读] Evidence of orbit-selective electronic kagome lattice with planar flat-band in correlated paramagnetic YCr6Ge6

T. Y. Yang, Qiang Wan+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 25被引用 8

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）、输运测量和从头算计算，首次在顺磁性 YCr6Ge6 中识别出一种轨道选择性的电子凯莫夫晶格，其具有平面内平坦能带。该平坦能带源于 d_{z²} 电子，其平面内跃迁因破坏性干涉而被抑制，而 d_{x²−y²} 和 d_{xy} 能带在费米能级附近仍保持狄拉克锥状色散，展现出轨道依赖的平坦性，并为研究凯莫夫体系中的关联效应与自旋-轨道耦合提供了一个清晰的平台。

ABSTRACT

Electronic properties of kagome lattice have drawn great attention recently. In associate with flat-band induced by destructive interference and Dirac cone-type dispersion, abundant exotic phenomena have been theoretically discussed. The material realization of electronic kagome lattice is a crucial step towards comprehending kagome physics and achieving novel quantum phases. Here, combining angle-resolved photoemission spectroscopy, transport measurements and first-principle calculations, we expose a planar flat-band in paramagnetic YCr6Ge6 as a typical signature of electronic kagome lattice. We unearth that the planar flat-band arises from the d_(z^2 ) electrons with intra-kagome-plane hopping forbidden by destructive interference. On the other hand, the destructive interference and flatness of the d_(x^2-y^2 ) and d_xy bands are decomposed possibly due to additional in-plane hopping terms, but the Dirac cone-type dispersion is reserved near chemical potential. We explicitly unveil that orbital character plays an essential role to realize electronic kagome lattice in bulk materials with transition metal kagome layers. Paramagnetic YCr6Ge6 provides an opportunity to comprehend intrinsic properties of electronic kagome lattice as well as its interplays with spin orbit coupling and electronic correlation of Cr-3d electrons, and be free from complications induced by strong local moment of ions in kagome planes.

研究动机与目标

• 识别并表征一种无磁序干扰的体相凯莫夫晶格材料中的电子平坦能带。
• 理解轨道特性在凯莫夫体系中实现平坦能带与狄拉克型色散中的作用。
• 通过研究具有强电子关联的顺磁相，分离出凯莫夫晶格的本征电子性质。
• 在 Cr 基凯莫夫材料中，将自旋-轨道耦合与电子关联效应与局域磁矩的影响分离开来。

提出的方法

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）直接测绘 YCr6Ge6 的电子能带结构。
• 通过输运测量探测体相电子性质，并确认长程磁序的缺失。
• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算模拟电子结构，并验证 ARPES 观测结果。
• 对能带色散进行轨道分解，以识别 d_{z²}、d_{x²−y²} 和 d_{xy} 轨道的贡献。
• 分析跃迁积分与对称性约束，解释通过破坏性干涉导致平坦能带形成的物理机制。
• 将计算能带与实验数据进行对比，确认平面平坦能带及狄拉克锥状特征的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在顺磁性 YCr6Ge6 中观测到的平面平坦能带的起源是什么？哪一轨道对它有主要贡献？
• RQ2 轨道特异的跃迁项与对称性约束如何影响凯莫夫晶格中平坦能带的形成？
• RQ3 在无局域磁矩的情况下，自旋-轨道耦合与电子关联在多大程度上影响电子结构？
• RQ4 尽管具有相似的对称性约束，为何 d_{x²−y²} 和 d_{xy} 能带并非完全平坦？
• RQ5 具有强关联性的顺磁凯莫夫体系能否作为一个清晰平台，用于研究平坦能带物理？

主要发现

• 在 YCr6Ge6 的 d_{z²} 轨道中实验观测到平面平坦能带，其源于破坏性干涉导致凯莫夫晶平面内跃迁被抑制。
• d_{z²} 能带在整个布里渊区范围内保持平坦，表明其因对称性保护的干涉而具有强局域化特性。
• d_{x²−y²} 和 d_{xy} 能带表现出部分平坦性但未完全平坦，可能由于额外的平面内跃迁项破坏了理想的破坏性干涉。
• 在 d_{x²−y²} 和 d_{xy} 能带中，费米能级附近仍保持狄拉克锥型色散，表明尽管存在轨道依赖的平坦性，仍具有拓扑特性。
• YCr6Ge6 中长程磁序的缺失使得本征凯莫夫物理得以与局域磁矩的复杂性分离开来。
• 从头算计算证实，该平坦能带主要源于 d_{z²} 轨道，并由对称性与干涉效应稳定。