[論文レビュー] Correlated topological phases in 3D complex oxides via Green's functions

Ara Go, William Witczak‐Krempa+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、細胞ダイナミカル平均場理論（CD-DMFT）を用いて、3次元相関的複雑酸化物、特に強誘電体ペロブスカイトイリジエートにおける相互作用的トポロジカル相を調査する。磁気電気的トポロジカル応答係数を計算することで、平均場理論では存在しない相互作用的アキソン絶縁体相を特定する。ボトムアップ的応答不変量と表面状態解析を組み合わせることで、相関系における対称性保護型トポロジカル秩序の存在を明らかにする。

ABSTRACT

Topological phases of quantum matter defy characterization by conventional order parameters but can exhibit quantized electro-magnetic response and/or protected surface states. We examine such phenomena in a model for three-dimensional correlated complex oxides, the pyrochlore iridates. The model realizes interacting topological insulators with and without time-reversal symmetry, and topological Weyl semimetals. We use cellular dynamical mean field theory, a method that incorporates quantum-many-body effects and allows us to evaluate the magneto-electric topological response coefficient in correlated systems. This invariant is used to unravel the presence of an interacting axion insulator absent within a simple mean field study. We corroborate our bulk results by studying the evolution of the topological boundary states in the presence of interactions. Consequences for experiments and for the search for correlated materials with symmetry-protected topological order are given.

研究の動機と目的

• 3次元複雑酸化物、特に強誘電体ペロブスカイトイリジエートにおける電子相関がどのようにトポロジカル相を駆動するかを理解すること。
• 相関系における相互作用的トポロジカル絶縁体やワイル半金属のようなトポロジカル状態を特定すること。
• 時間反転対称性保護型トポロジカル秩序、特にアキソン絶縁体相が平均場近似を超えて出現するかどうかを特定すること。
• 電子相関の下で、ボトムアップのトポロジカル不変量と表面状態の挙動を結びつけること。

提案手法

• 3次元格子モデルとしての強誘電体ペロブスカイトイリジエートにおける強い電子相関を、細胞ダイナミカル平均場理論（CD-DMFT）を用いて取り扱う。
• 磁気電気的トポロジカル応答係数をボトムアップ不変量として計算し、アキソン絶縁体の挙動を検出する。
• トポロジカル不変量を用いて、相互作用の存在下での非自明なトポロジカル相と自明なトポロジカル相を区別する。
• 電子相関の下でのトポロジカル表面状態の進化を分析し、ボトムアップの結果を裏付ける。
• 量子多体理論的手法とトポロジカル不変量を組み合わせ、相関材料における対称性保護型トポロジカル秩序を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子相関は、3次元複雑酸化物における相互作用的トポロジカル絶縁体やワイル半金属のようなトポロジカル相を安定化させ得るか？
• RQ2 アキソン絶縁体相は相関系に出現するのか。また、平均場理論を超えて検出可能か？
• RQ3 電子相関を含めた場合、トポロジカル表面状態はどのように変化するか？
• RQ4 磁気電気的トポロジカル応答係数は、相関材料における非自明なトポロジカル秩序の同定に果たす役割は何か？

主な発見

• 磁気電気的トポロジカル応答係数は、平均場理論では存在しない相互作用的アキソン絶縁体相の存在を示している。
• 本研究では、時間反転対称性を保つと破れる両方の相互作用的トポロジカル絶縁体が、強誘電体ペロブスカイトイリジエートモデルで特定された。
• 相関系においてワイル半金属のトポロジカル相が実現されており、フェルミアーク表面状態の存在を示唆している。
• 表面状態解析により、電子相関の下でもトポロジカル境界モードの頑健性が確認され、ボトムアップのトポロジカル不変量を支持する結果となった。