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EXPRESS LETTER
Electron-Correlation-Induced Charge Density Wave in FeGe
Lin Wu (武琳), Yating Hu (胡雅婷), Dongze Fan (樊东泽), Di Wang (王棣), and Xiangang Wan (万贤纲)
Chin. Phys. Lett. 2023 40 (11): 117103
DOI: 10.1088/0256-307X/40/11/117103
文章亮点
南京大学物理学院万贤纲教授研究组报道了kagome晶格FeGe中电荷密度波微观起源的研究,揭示了费米面的三维性以及电子关联在FeGe中的CDW转变中发挥的重要作用。
图1. FeGe沿着𝐷𝑇(0, 0, 𝑘𝑧)–𝑈(1/2, 0, 𝑘𝑧)–𝑃(1/3, 1/3, 𝑘𝑧)–𝐷𝑇(0, 0, 𝑘𝑧)路径的轨道投影能带结构(顶部),二维费米面(中部)和嵌套函数(底部)。对于轨道投影电子能带结构,圆的大小显示了每个轨道的相对贡献比例。在2D费米面中,费米口袋𝛼、𝛽、γ和𝛿分别代表了由Fe-𝑑𝑥𝑦/𝑑𝑥2−𝑦2、Fe-𝑑𝑥𝑧、Fe-𝑑𝑦𝑧和Fe-𝑑𝑧2轨道主导。
图2. kz=0.267和0.433时,在kx-ky平面上的二维费米面。费米能级上波函数的亚晶格成分包括三个不同的Fe位置(Fe𝐴、Fe𝐵和Fe𝐶),分别用红色、绿色和蓝色标记。红色箭头表示嵌套矢量𝑞𝐾=(1/3, 1/3, 0)和𝑞𝑀=(1/2, 0, 0)。
FeGe中的电子关联诱导的电荷密度波
研究背景
Kagome格子材料由于其独特的晶格结构而具有奇特的电子能带特性:包括平带、van Hove奇点(vHSs)和Dirac锥等特征。作为首个展现电荷密度波(CDW)的磁性kagome材料,FeGe最近引起了广泛关注。实验发现,在奈尔温度410 K以下,FeGe表现出共线的A型反铁磁有序,在100 K出现CDW结构转变,而在较低温度60 K下,它会转变成一个双锥反铁磁结构。与AV3Sb5(A=K、Cs、Rb)类似,FeGe展现出平面2×2结构的CDW特征。然而,与AV3Sb5不同的是,理论计算得到的FeGe声子频率均保持为正值。此前,基于实验建议的2×2×2超胞,研究团队通过解析推导和群论分析,探索了可能的CDW相,发现只有四种CDW结构(分别属于空间群P622或P6322)没有空间反演和镜面对称性,因此可以解释其低温双锥反铁磁结构。FeGe的CDW转变微观机制仍然是重要的问题。
内容简介
面对上述问题,南京大学物理学院万贤纲教授研究组对FeGe的电子结构进行了详细分析,并对费米面嵌套函数进行了系统地研究。分析随着kz从0变化到0.5,能带结构和费米面的变化情况,发现FeGe的电子结构具有明显的三维特性。vHSs的位置在kz变化时明显发生变化,仅在较小的kz范围内靠近费米能级。这些与AV3Sb5的准二维结构特征明显不同。数值结果显示,费米面嵌套函数的最大值出现在布里渊区中的K点而不是M点。其中,两个费米口袋对嵌套函数有重要贡献,分别来自dxz轨道和dx2-y2/dxy轨道。
为了理解费米面嵌套函数最大值在K点,而CDW转变在M点这一反常行为,团队考虑了局域库仑相互作用的影响。在FeGe的Kagome晶格中存在三个Fe亚晶格。分析了费米面上电子波函数的实空间展开,发现由矢量K嵌套的2个波函数主要分布在不同的Fe亚晶格位点。与K点不同,由矢量M嵌套的波函数主要分布在相同的Fe位点,这使得局域库仑相互作用可明显增强M点处的CDW不稳定性。这表明三维费米面特性和局域电子关联在FeGe的CDW转变中发挥了重要作用。
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