[论文解读] Flat Band Induced Negative Magnetoresistance in Multi-Orbital Kagome Metal

Jie Zhang, Turgut Yilmaz+15 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究表明，在多轨道kagome金属CoSn中，费米能级附近的平坦能带引发强电子关联和铁磁涨落，导致各向异性的负磁阻。通过结合输运测量、角分辨光电子能谱（ARPES）和第一性原理计算，作者证实，平坦能带邻近性（而非轨道填充）主导了关联效应，从而实现了对体相平坦能带体系中量子现象的调控。

ABSTRACT

Electronic flat band systems are a fertile platform to host correlation-induced quantum phenomena such as unconventional superconductivity, magnetism and topological orders. While flat band has been established in geometrically frustrated structures, such as the kagome lattice, flat band-induced correlation effects especially in those multi-orbital bulk systems are rarely seen. Here we report negative magnetoresistance and signature of ferromagnetic fluctuations in a prototypical kagome metal CoSn, which features a flat band in proximity to the Fermi level. We find that the magnetoresistance is dictated by electronic correlations via Fermi level tuning. Combining with first principles and model calculations, we establish flat band-induced correlation effects in a multi-orbital electronic system, which opens new routes to realize unconventional superconducting and topological states in geometrically frustrated metals.

研究动机与目标

• 确定kagome金属CoSn中负磁阻的起源。
• 确定在多轨道kagome体系中，平坦能带邻近性还是电子掺杂主导关联效应。
• 确立电子关联和磁涨落在体相平坦能带材料中的作用。
• 基于U/W和Δ = |EF − EFB|，建立体相多轨道平坦能带体系的一般相图。
• 证明通过费米能级工程可调控三维kagome金属中平坦能带诱导的关联效应。

提出的方法

• 通过光子能量依赖的角分辨光电子能谱（ARPES）测量，绘制CoSn的电子能带结构，确认在费米能级以下70 meV处存在一个平坦能带。
• 在磁场下进行电输运测量，观测到各向异性的负磁阻（在2 K时ρab/ρc > 100）。
• 应用含自旋轨道耦合（SOC）和库仑U修正的密度泛函理论（DFT+SOC+U），计算无掺杂与空穴掺杂条件下磁态能量和电子结构。
• 采用五轨道Hubbard模型的动态平均场理论（DMFT），计算准粒子质量增强和轨道分辨响应，比较存在与不存在费米能级附近平坦能带的体系。
• 在U/W与Δ = |EF − EFB|平面构建示意图相图，对体相平坦能带材料中的磁性、金属性和关联性区域进行分类。
• 在U = 5 eV、JH = 0.8 eV和T = 290 K条件下执行DFT+DMFT计算，分析轨道分辨的静态磁化率和质量增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 CoSn中各向异性的负磁阻由何引起？是否与平坦能带邻近性相关？
• RQ2 CoSn中电子关联和磁涨落如何依赖于平坦能带相对于费米能级的位置？
• RQ3 多轨道效应和层间耦合在多大程度上改变了体相kagome金属与二维平坦能带体系相比的磁基态？
• RQ4 通过调节费米能级相对于平坦能带的位置，能否调控kagome平面中铁磁涨落的强度？
• RQ5 体相多轨道平坦能带体系的一般相图在U/W和Δ = |EF − EFB|参数下的表现如何？

主要发现

• CoSn在2 K时表现出各向异性的负磁阻，ρab/ρc > 100，表明磁场下平面内电阻被强烈抑制。
• ARPES证实CoSn中存在一个位于费米能级以下70 meV处的平坦能带，其非零带宽由3d轨道杂化和次近邻跃迁引起。
• DFT+SOC+U计算显示，靠近平坦能带的空穴掺杂可增强铁磁涨落，当U = 5 eV时磁态能量降低约10 meV。
• DMFT计算揭示，在U/W ≈ 1且Δ ≈ 0时，平坦能带轨道的准粒子质量增强因子（1/Z）最高可达约2.5，即使在中等U/W条件下亦显著。
• 即使在较小的U/W下，费米能级附近的平坦能带也能显著增强1/Z，表明平坦能带邻近性可独立于U/W大小增强关联效应。
• 图4所示相图识别出在U/W ≈ 1且Δ → 0附近存在一个临界区域，此时平坦能带诱导的铁磁涨落导致各向异性的负磁阻，与CoSn中的观测一致。