[論文レビュー] Bad metal and negative compressibility transitions in a two-band Hubbard model

Raymond Frésard, Kevin Steffen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 74被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、整数充填状態 n=2 の近くで有限のフンズ結合を有する2バンド Hubbard モデルに対して、スレーブボソンアプローチを用いて、負の電子的圧縮率およびボロトロープ金属遷移を調査する。圧縮率は準粒子と集団的ボソン場の微妙な相互作用によって支配されており、そのフィードバック機構により異種積層構造において安定した負の圧縮率が実現可能であり、微小な密度変化または電圧変化によってチューナブルで高容量のデバイスが実現可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

We analyze the paramagnetic state of a two-band Hubbard model with finite Hund's coupling close to integer filling at $n=2$ in two spacial dimensions. Previously, a Mott metal-insulator transition was established at $n=2$ with a coexistence region of a metallic and a bad metal state in the vicinity of that integer filling. The coexistence region ends at a critical point beyond which a charge instability persists. Here we investigate the transition into negative electronic compressibility states for an extended filling range close to $n=2$ within a slave boson setup. We analyze the separate contributions from the (fermionic) quasiparticles and the (bosonic) multiparticle incoherent background and find that the total compressibility depends on a subtle interplay between the quasiparticle excitations and collective fields. Implementing a Blume-Emery-Griffiths model approach for the slave bosons, which mimics the bosonic fields by Ising-like pseudospins, we suggest a feedback mechanism between these fields and the fermionic degrees of freedom. We argue that the negative compressibility can be sustained for heterostructures of such strongly correlated planes and results in a large capacitance of these structures. The strong density dependence of these capacitances allows to tune them through small electronic density variations. Moreover, by resistive switching from a Mott insulating state to a metallic state through short electric pulses, transitions between fairly different capacitances are within reach.

研究の動機と目的

• 有限のフンズ結合を有する2バンド Hubbard モデルにおいて、n=2 の近くに位置する系で負の電子的圧縮率がどのように出現するかを理解すること。
• 圧縮率の不安定性を引き起こす準粒子励起と集団的ボソン自由度の間の相互作用を解明すること。
• 強い相関性を持つ材料の異種積層構造において、安定した負の圧縮率状態を実現可能かどうかを調査すること。
• 電子密度のチューニングまたは抵抗性スイッチングによって、このような系で大規模かつ可逆的な容量変化を実現できることを示すこと。

提案手法

• 2バンド Hubbard モデルにおけるフェルミオン自由度とボソン自由度を分離するためのスレーブボソン形式を採用する。
• スレーブボソンに対してBlume-Emery-Griffiths (BEG) モデルを導入し、スピン1/2に類似した擬スピンにマッピングすることで、軌道占有のフラクチュエーションを記述する。
• 平均場理論を用いてBEGモデルを解き、連続的および不連続的転移を含む相転移を分析する。
• ドーピング（パrameter q）および有効温度（Teff）を関数として電子的圧縮率を計算し、準粒子寄与と非秩序的背景寄与に分離する。
• フェルミオン準粒子とボソン的集団場の間のフィードバック機構を分析し、負の圧縮率の出現を説明する。
• q と Teff をパラメータとして相図をマッピングし、安定した負の圧縮率領域および相共存領域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限のフンズ結合は、2バンド Hubbard モデルにおいて n=2 の近くでボロトロープ金属状態への遷移にどのように寄与するか？
• RQ2 このモデルにおける負の電子的圧縮率の起源は何か？ また、熱力学的制約のもとでどのように安定化されるのか？
• RQ3 準粒子寄与と非秩序的寄与が圧縮率に与える影響がどのように作用し合い、負の値を生じさせるのか？
• RQ4 負の圧縮率状態は異種積層構造で安定化可能か？ その場合、容量チューニングへのインパクトは何か？
• RQ5 フェルミオン準粒子とボソン的集団場の間のフィードバックが、連続的または不連続的転移をどのように駆動するか？

主な発見

• 負の電子的圧縮率は、準粒子重み z2(n) と集団的ボソン場の微妙な相互作用によって生じるが、準粒子の抑制によるものではない。
• 系は n=2 の近傍で有限なドーピング範囲において圧縮率が負に転じるが、これはフェルミオン準粒子とボソン的擬スピンの間のフィードバック機構によって駆動される。
• BEGモデルのアプローチにより、連続的および不連続的転移の両方が観測され、相図に臨界終点（CE）と臨界点（CP）が存在することが明らかになった。
• 強い相関性を持つ平面の異種積層構造において、安定した負の圧縮率が実現可能であり、微小な電子密度変化によって大容量かつチューナブルな容量が実現可能である。
• モット絶縁体から金属状態への抵抗性スイッチングにより、異なる容量値間の可逆的遷移が可能となり、デバイススケールでのチューニングが可能である。
• 有効温度 Teff とドーピングパラメータ q が圧縮率状態の安定性を決定づけ、q が高値（n=2 に近い）のとき、系はしばしば非平衡状態に存在する。