[论文解读] Intertwining of magnetism and charge ordering in kagome FeGe

Sen Shao, Jia‐Xin Yin+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究提出，FeGe中的2×2×1电荷密度波（CDW）由石墨烯衍生电子态的费米面嵌套驱动，其中蜂窝层中的Ge原子发生广义凯库勒畸变，而Fe kagome层基本保持不变。该CDW通过磁交换耦合与电子关联的相互作用得以稳定，增强了Fe的磁矩，从而解释了实验中的扫描隧道显微镜（STM）数据。

ABSTRACT

Recent experiments report a charge density wave (CDW) in the antiferromagnet FeGe, but the nature of the charge ordering and the associated structural distortion remains elusive. We discuss the structural and electronic properties of FeGe. Our proposed ground state phase accurately captures atomic topographies acquired by scanning tunneling microscopy. We show that the 2$ imes$2$ imes$1 CDW likely results from the Fermi surface nesting of hexagonal-prism-shaped kagome states. FeGe is found to exhibit distortions in the positions of the Ge atoms instead of the Fe atoms in the kagome layers. Using in-depth first-principles calculations and analytical modeling, we demonstrate that this unconventional distortion is driven by the intertwining of magnetic exchange coupling and CDW interactions in this kagome material. Movement of Ge atoms from their pristine positions also enhances the magnetic moment of the Fe kagome layers. Our study indicates that magnetic kagome lattices provide a material candidate for exploring the effects of strong electronic correlations on the ground state and their implications for transport, magnetic, and optical responses in materials.

研究动机与目标

• 解析kagome反铁磁体FeGe中电荷密度波（CDW）序及其相关结构畸变的本质。
• 确定CDW是否源于费米面嵌套效应或电子关联效应。
• 解释扫描隧道显微镜（STM）实验中观测到的原子形貌特征。
• 阐明为何在CDW相变中Ge原子发生位移，而非Fe原子。
• 探讨磁交换耦合在稳定CDW及增强磁矩中的作用。

提出的方法

• 采用CALYPSO结构搜索算法识别FeGe的低能反铁磁超胞结构。
• 利用VASP进行第一性原理计算，采用PBE交换关联泛函和投影缀加平面波方法。
• 通过PHONOPY中的准简谐近似方法计算声子谱和吉布斯自由能，评估热力学稳定性。
• 采用三单元胞厚的表面模型与真空层，模拟STM图像，重点关注表面电子态密度。
• 利用零频下的Lindhard响应函数计算电子态密度响应，通过费米面嵌套探测CDW不稳定性。
• 使用VASPKIT对能带结构和态密度数据进行后处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeGe中2×2×1电荷密度波的起源是什么？哪个原子亚晶格发生结构畸变？
• RQ2 kagome态的费米面嵌套如何驱动FeGe中CDW的形成？
• RQ3 在CDW转变过程中，为何蜂窝层中的Ge原子发生位移，而非kagome层中的Fe原子？
• RQ4 磁交换耦合如何与CDW序相互交织，从而稳定基态？
• RQ5 CDW对kagome晶格中Fe原子磁矩有何影响？

主要发现

• FeGe中的2×2×1 CDW源于六面体棱柱形kagome态的费米面嵌套，驱动Ge蜂窝层发生广义凯库勒畸变。
• 结构畸变主要涉及蜂窝层中Ge原子的位移，而非kagome层中Fe原子的位移，与STM观测结果一致。
• CDW相通过磁交换耦合与电子关联效应的相互作用得以稳定，Fe原子无显著位移。
• CDW增强了kagome层中Fe原子的磁矩，表明存在强烈的电子关联效应。
• 预测的2×2×1 CDW结构与实验STM数据在原子形貌和电子态密度方面高度吻合。
• 本研究识别出亚稳态的1×√3×1和2×2√3×1 CDW相，为未来实验验证提供了理论目标。