Theoretical study of electronic and phononic properties of systems containing kagome-like lattice
Loading...
DOI
Date
2024
Authors
Basak, Surajit
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Reviewers
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
Materiały zawierające siec kagome stanowią platformę do badania różnego rodzaju zjawisk fizycznych (podstawowych i aplikacyjnych) w fizyce ciała stałego. Sieć powstająca z połączonych wierzchołkami trójkątów posiada wiele intrygujących własności elektronowych, które stanowią podstawę silnych korelacji elektronowych oraz własności topologicznych, wynikających z istnienia w strukturze pasmowej punktów o zdegenerowanych energiach. W tej rozprawie dyskutuje możliwość realizacji sieci kagome oraz podobnej do kagome w układach rzeczywistych. W niektórych pracach pokazano, ze idealna siec kagome jest realizowana w kilku materiałach. W pozostałych przypadkach, układ jest stabilny w fazie, która zawiera zdeformowana siec kagome. Dla przykładu, dokładnie badam to zachowanie w CoGe z różnymi symetriami, w obecności ciśnienia. Analiza miękkiego modu prowadzi do wniosku, ze CoGe nie jest stabilny w symetrii z idealna siecią kagome (np. Cmmm lub P6/mmm), i jest stabilny w obecności dystorsji tej sieci (w symetrii P-62m). Podobne badania przeprowadzono dla Pt3Pb2Sn i FeGe. Pokażemy, ze również taka siec posiada istotny wpływ na własności materiałów. Podobnie jak w przypadku FeGe, może to prowadzić do niestabilności CDW (fali gęstości ładunku). O ile w tym kontekście struktura elektronowa była intensywnie badana, o tyle w przypadku relacji dyspersyjnych fononów badanie punktów zdegenerowanych, linii nodalnych, czy płaskich pasm stanowi otwarty temat. Dla T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) i RhPb, obserwujemy linie nodalne w pasmach fononowych, a w przypadku RhPb stany powierzchniowe pomiędzy tymi liniami. Dla T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) i ABi2 (A = K, Rb, Cs) dyskutuje możliwość znalezienia fononów chiralnych (o skończonej skrętności). W tym kontekście, teoretycznie przewiduje istnienie dwóch nowych materiałów ze złamana symetria inwersji (KRbBi4, RbCsBi4), które mogą być wykorzystane do eksperymentalnego badania fononowego efektu Halla. Opisuje również niektóre interesujące własności elektronów nadprzewodników z siecią kagome. Dokładniej, jak magnetyczna domieszka indukuje stan wewnątrzszczelinowy (wewnątrz przerwy nadprzewodzącej), nazywany stanem Shiby, oraz jak może on być “sterowany” poprzez istnienie płaskiego pasma w układzie. Rozprawa ta stanowi zbiór prac naukowych prezentujących wyniki uzyskane w czasie studiów doktoranckich. Prace naukowe stanowiące ten zbiór zebrane są w Rozdziale 4. Rozdział 3 stanowi krótkie wprowadzenie do tematyki omawianej w pracach naukowych. W Rozdziale 2 opisuje metody zastosowane w prowadzonych badaniach.
Materials containing kagome lattice act as a platform to study condensed matter phenomena which are interesting from both fundamental and application perspectives. The lattice, which contains an array of corner-sharing triangles, is known to host many intriguing electronic properties with their roots in the strong electron-electron correlation and topological properties arising from symmetry protected degenerate points in the band structure. In this thesis, I discuss the possibility of realizing kagome and kagome-like lattices in real materials. It will be shown in some works that the perfect kagome structure is found in only a few materials. In all the other cases the compounds stabilize in symmetries containing distorted kagome layers. For example, I explicitly study this phenomenon for different symmetry groups of CoGe, under ambient and applied pressure. The analysis of the phonon soft modes leads to the conclusion that CoGe does not stabilize in the symmetry group containing the perfect kagome layer (Cmmm, P6/mmm), rather it stabilizes in the symmetry group containing distorted kagome layer (P-62m). Similar studies are also presented for Pt3Pb2Sn and FeGe. I will show that this has a significant impact on the properties of materials. Such as, for FeGe it leads to a charge density wave instability, and the reason behind the distortion in this case turns out to be the strong electron-electron correlation amongst the Fe atoms forming the kagome lattice. While immensely studied in the context of electronic band structure, the largely unexplored area of symmetry-protected degenerate points, degenerate lines, and flat bands in the context of phonon band structure will be explored too. For T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) and RhPb, I observe nodal lines in the phonon band structure and for RhPb, phonon drumhead states extending between two such nodal lines in the phonon surface state spectrum are observed. For T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) and ABi2 (A = K, Rb, Cs), I discuss the possibility of finding chiral phonons, phonons with finite handedness. In that direction, I theoretically predict two new materials with broken bulk inversion symmetry (KRbBi4, RbCsBi4), which can be synthesized in the experiment and used to study the phonon Hall effect. I also describe some interesting electronic properties of kagome lattice-based superconductors. In particular, it is shown that the presence of van Hove singularity and flat band singularity in the density of states can drastically impact the coupling strength and the decay length of the impurity-induced in-gap bound states of the superconductor (known as the Shiba states), making them more useful for application purposes. This thesis is a collection of papers that resulted from my works performed during my PhD study. The papers are stacked up in Chapter 4. Chapter 3 gives a short guide to the Sections of Chapter 4. In Chapter 2, I describe the theoretical methods used to obtain the results.
Description
Keywords
Citation
Sponsorship:
Grantnumber:
License Type
Attribution 4.0 International