[论文解读] Instability of the charge density wave in Kagome magnet FeGe

Ziyuan Chen, Xueliang Wu+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 5

一句话总结

本研究揭示了铁锗kagome晶格中2×2电荷密度波（CDW）的高度不稳定性，其在扫描隧道显微镜（STM）操控下极易转变为1×1相。实验观察到的瞬态CDW畴、中间态以及孤立的CDW核——结合第一性原理计算显示平坦光学声子模式的软化——表明CDW态之间存在强烈竞争，揭示了由多个近乎简并的不稳定性驱动的脆弱CDW基态。

ABSTRACT

Kagome metals show rich competing quantum phases due to geometry frustration, flat bands, many-body effects, and non-trivial topology. Recently, a novel charge density wave (CDW) was discovered deep inside the antiferromagnetic phase of FeGe, attracting intense attention due to close relation with magnetism. Here, via a scanning tunneling microscope (STM), we find the 2*2 CDW in FeGe is very fragile and can be readily disrupted into the initial 1*1 phase; Small sqrt3*sqrt3 CDW puddles are found to coexist with the 2*2 CDW in as-grown samples, and can also be induced in the intermediate process of CDW disruption, which will eventually transform into the initial 1*1 phase. Moreover, an exotic intermediate CDW state and standalone CDW nuclei appear unexpectedly during the disruption process. Our first-principle calculations find equal softening of a flat optical phonon mode in a large momentum region around the CDW wave vector, corresponding to numerous competing CDWs with close energies. This might lead to strong instability of the CDW ground state, responsible for STM observations. Our findings provide more novel experimental aspects to understand the CDW in FeGe and suggest FeGe-like Kagome metals are ideal platforms for studying the physics of competing CDW instabilities.

研究动机与目标

• 研究最近发现的铁锗kagome磁体中2×2电荷密度波（CDW）的稳定性和动力学行为。
• 理解在几何阻挫、平坦能带和强电子关联体系中CDW不稳定性产生的微观起源。
• 探索CDW转变过程中竞争CDW态和涌现中间相的作用。
• 将实验观察到的瞬态CDW结构与从头计算预测的电子不稳定性联系起来。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜（STM）在原子尺度上成像并操控铁锗中的CDW序。
• 原位STM测量追踪了局部电子扰动下CDW相的动态演化过程。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算分析CDW波矢附近的声子模式与电子结构。
• 计算重点识别动量空间中竞争CDW不稳定性对应的软模与简并性。
• 理论分析光学声子色散关系揭示了平坦能带及在CDW波矢附近大范围区域的软化现象。
• 实验观测与理论预测的对比验证了竞争CDW通道在 destabilize 基态中的关键作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在局部电子调控下，铁锗中2×2电荷密度波（CDW）相的稳定性如何？
• RQ2 在2×2 CDW被破坏过程中，瞬态CDW态与孤立CDW核如何产生？
• RQ3 电子与晶格不稳定性在铁锗CDW相变中起什么作用？
• RQ4 为何铁锗CDW基态表现出如此高的脆弱性，尽管其与磁性共存？
• RQ5 从2×2到1×1 CDW转变过程中观察到的中间CDW态具有何种本质？

主要发现

• 铁锗中的2×2 CDW高度脆弱，可在局部STM针尖操控下轻易转变为1×1相。
• 在原始样品中，小尺寸的√3×√3 CDW畴与2×2 CDW共存，且在破坏过程中可被瞬时诱导。
• CDW转变过程中意外出现一种奇异的中间CDW态及独立存在的CDW核，表明存在复杂的多体动力学。
• 第一性原理计算揭示，在CDW波矢附近的较大动量区域内，平坦光学声子模式出现同等程度的软化，表明存在大量近乎简并的CDW不稳定性。
• 平坦声子模式的软化表明CDW态之间存在强烈的晶格介导竞争，解释了2×2 CDW基态的观测不稳定性。
• 研究结果确立了铁锗作为研究kagome金属中竞争CDW不稳定性与涌现量子相的模型体系。