[论文解读] Spin-phonon coupling driven Charge density wave in a Kagome Magnet

Hao Miao, Tiantian Zhang+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究揭示了自旋-声子耦合在铁锗的凯伐格晶格中驱动电荷密度波（CDW）的机制，其中弹性与非弹性X射线散射检测到与2×2×1 CDW共存的电荷二聚化超晶格。第一性原理计算证实，静态与动态自旋激发均能介导声子软化与硬化，确立了自旋-声子耦合为空间对称性破缺的起源，且独立于磁序存在。

ABSTRACT

The intertwining between spin, charge, and lattice degrees of freedom can give rise to unusual macroscopic quantum states, including high-temperature superconductivity and quantum anomalous Hall effects. Recently, a charge density wave (CDW) is observed in the kagome antiferromagnet FeGe, indicative of possible intertwining physics. An outstanding question is that whether magnetic correlation is fundamental for the spontaneous spatial symmetry breaking orders. Here, utilizing elastic and high-resolution inelastic x-ray scattering, we discover a charge dimerization superlattice that coexists with the 2$ imes$2$ imes$1 CDW in the kagome sublattice. Most interestingly, between the magnetic and CDW transition temperature, the phonon dynamical structure factor shows a giant phonon-energy hardening and a substantial phonon linewidth broadening near the charge-dimerization wavevectors, both signaling the spin-phonon coupling. By first principles calculations, we show that both the static and dynamic spin excitations intertwine with the phonon to drive the spatial symmetry breaking.

研究动机与目标

• 确定自旋-声子耦合在凯伐格反铁磁体FeGe中驱动电荷密度波（CDW）序的作用。
• 研究磁关联是否对关联凯伐格系统中自发空间对称性破缺至关重要。
• 识别自旋、电荷与晶格自由度之间的相互作用如何诱导CDW与电荷二聚化。
• 通过实验与理论相结合的方法，建立观测到的CDW转变的微观机制。

提出的方法

• 通过弹性与高分辨率非弹性X射线散射（XES）探测FeGe中电荷与晶格动力学。
• 绘制声子动力学结构因子，以检测在电荷二聚化波矢附近出现的异常。
• 通过衍射分析识别出2×2×1 CDW与共存的电荷二聚化超晶格。
• 开展第一性原理计算，模拟自旋-声子耦合及其对晶格与电子结构的影响。
• 分析声子能量与线宽在磁转变与CDW转变温度之间的演化行为。
• 利用对称性分析与波矢依赖的响应函数，将自旋涨落与晶格畸变联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋-声子耦合是否导致了FeGe凯伐格晶格中电荷密度波的形成？
• RQ2 FeGe中声子谱在磁转变与CDW转变温度之间如何演化？
• RQ3 在无长程磁序的情况下，自旋激发在驱动空间对称性破缺中起何作用？
• RQ4 电荷二聚化能否与凯伐格系统中的2×2×1 CDW共存，其形成由何驱动？
• RQ5 动态自旋涨落在多大程度上与声子耦合以稳定CDW态？

主要发现

• 在FeGe的凯伐格亚晶格中，2×2×1电荷密度波与电荷二聚化超晶格共存。
• 在磁转变与CDW转变之间，声子动力学结构因子在电荷二聚化波矢附近表现出巨大的能量硬化与线宽展宽。
• 观测到的声子异常直接与自旋-声子耦合相关，表明自旋与晶格自由度之间存在强烈相互作用。
• 第一性原理计算证实，静态与动态自旋激发均能介导驱动CDW的晶格畸变。
• CDW转变由自旋-声子耦合驱动，而非磁序，表明空间对称性破缺具有非磁性起源。
• 该体系表现出一种不同于传统电子-声子或自旋密度波机制的自旋-声子驱动CDW机制。