[論文レビュー] Emergent flat band and topological Kondo semimetal driven by orbital-selective correlations

Lei Chen, Fang Xie+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 53被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、軌道選択的モット物理学を示すd電子系において、電子相関がフェルミエネルギー付近に正確に平坦なバンドを生成することを示している。これにより、トポロジカルKondo半金属相が生じる。三重対称性が破れたクローバーラティス上のハーバードモデルを用いて、強い相関と格子対称性が協働してフェルミ準位付近にトポロジカルに非自明な平坦バンドを安定化させることを示した。これにより、遷移金属化合物における新しい相関的トポロジカル量子状態が実現可能となる。

ABSTRACT

Flat electronic bands are expected to show proportionally enhanced electron correlations, which may generate a plethora of novel quantum phases and unusual low-energy excitations. They are increasingly being pursued in $d$-electron-based systems with crystalline lattices that feature destructive electronic interference, where they are often topological. Such flat bands, though, are generically located far away from the Fermi energy, which limits their capacity to partake in the low-energy physics. Here we show that electron correlations produce emergent flat bands that are pinned to the Fermi energy. We demonstrate this effect within a Hubbard model, in the regime described by Wannier orbitals where an effective Kondo description arises through orbital-selective Mott correlations. Moreover, the correlation effect cooperates with symmetry constraints to produce a topological Kondo semimetal. Our results motivate a novel design principle for Weyl Kondo semimetals in a new setting, viz. $d$-electron-based materials on suitable crystal lattices, and uncover interconnections among seemingly disparate systems that may inspire fresh understandings and realizations of correlated topological effects in quantum materials and beyond.

研究の動機と目的

• 電子相関が、もともとフェルミエネルギーから遠く離れたトポロジカルに非自明な平坦バンドを低エネルギー領域へシフトさせられるかどうかを調査すること。
• d電子系における軌道選択的モット物理学とトポロジカルバンド構造の相乗的相互作用を探索すること。
• 調整パラメータに依存しない新しいメカニズムを確立し、トポロジカルKondo半金属を実現すること。
• 対称性制約と強い相関が協働してトポロジカルKondo半金属相を安定化させることを実証すること。

提案手法

• 三重対称性を破った2次元クローバーラティス上に、鏡対称性Mₓを保持する2軌道ハーバードモデルを構築し、破壊的干渉によって生じるトポロジカル平坦バンドを保存する。
• 強い相関を扱うためにU(1)スレーブスピン法を採用し、局在的自由度を持つ重いd軌道に焦点を当てる。
• スレーブスピンの鞍点分解を用いて、準粒子重みZおよび混合パラメータの自己無撞撃方程式を導出する。
• スレーブスピンと補助フェルミ粒子の伝播関数の畳み込みにより、全グリーン関数を計算し、スペクトル関数を求める。
• 準粒子重みZおよびスペクトル重み解析を通じて、フェルミエネルギーに平坦バンドの出現を特定する。
• 対称性保護（Mₓ）およびトポロジカル不変量の分析により、トポロジカルKondo半金属相の確認を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 d電子系における電子相関は、もともとフェルミエネルギーから大きく下にあるにもかかわらず、平坦バンドをフェルミエネルギーにピン留めできるか？
• RQ2 非簡約なバンドを初期状態に持つ系において、軌道選択的モット物理学がフェルミエネルギー付近に平坦バンドを媒介するメカニズムは何か？
• RQ3 格子対称性（例：鏡対称性）がトポロジカルKondo半金属相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 強い相関とトポロジーの相乗作用が、従来のKondo半金属とは異なる新しい量子相を生じさせ得るか？
• RQ5 分子的Wannier軌道は、破壊的干渉を示す系において、トポロジカルに非自明な平坦バンドを表現する上で果たす役割は何か？

主な発見

• ハーバードモデルにおける軌道選択的モット相関により、非摂動的平坦バンドが深く下にあるにもかかわらず、フェルミエネルギーに正確に平坦バンドが出現する。
• 出現した平坦バンドはトポロジカルに非自明であり、鏡対称性Mₓによって保護され、トポロジカルKondo半金属相を形成する。
• 準粒子重みZがフェルミエネルギーで有限に保たれ、平坦バンド付近にコherentな重フェルミオン液体状態が形成されることを示す。
• スペクトル関数はフェルミエネルギーに明確なピークを示し、分散がほとんどないため、出現バンドの平坦性が確認される。
• 非自明なチーン数および保護された表面状態の存在により、相のトポロジカル性が裏付けられる。
• 本メカニズムは、適切な格子上にd電子系材料を設計することでWeyl Kondo半金属を実現するための新しい設計原理を提供する。