[論文レビュー] Exceptional Heavy-Fermion Semimetals in Three Dimensions

Yu-Liang Tao, Tao Qin+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2021

Advanced Materials Characterization Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、反転対称性が破れた周期的アンダーセン模型において、有限温度効果がウェイル点をウェイル特異的環に、さらに二つの特異的環に変化させ、境界を持つバルクフェルミチューブを有する、新しい三次元特異的重フェルミオン半金属相を提案する。ダイナミカル・メトフィールド理論（DMFT）と摂動理論を用いて、角度分解光電子効果を介した実験的に観測可能なスペクトル的特徴を示す。

ABSTRACT

Topological heavy-fermion systems in three dimensions are usually classified as topological insulators or semimetals. Here, we theoretically predict a different type of heavy-fermion system (dubbed exceptional heavy-fermion semimetal) by studying a three-dimensional periodic Anderson model consisting of strongly correlated localized $f$ electrons and itinerant conduction $c$ electrons in a zincblende lattice. Due to the breaking of inversion symmetry, the quasiparticle lifetimes at different sublattices are distinct, leading to the emergence of Weyl exceptional rings in the complex pole of the Green's function at finite temperatures; such rings lead to the appearance of bounded Fermi surfaces (bulk Fermi disks). As temperatures rise, two pairs of Weyl exceptional rings merge into two exceptional rings with one bounded bulk Fermi surface (bulk Fermi tube), which are experimentally measurable by angle-resolved photoemission spectroscopy. Finally, we use the dynamical mean field theory to calculate the spectral functions which illustrate the emergence of bulk Fermi tubes. Our work thus opens the door for studying exceptional heavy-fermion semimetal phases in three dimensions.

研究の動機と目的

• ハーミートでない非相互作用モデルを超える、三次元強相関系において境界を持つトポロジカル的フェルミ面の出現を探索すること。
• 準粒子の崩壊に起因する非エルミート的効果が、現実的な三次元重フェルミオン材料において有限境界を持つバルクフェルミ面を生じるかどうかを調査すること。
• 複素グリーン関数の特異的極において、特異的環と境界付きフェルミ面を特徴とする、新たなトポロジカル位相「特異的重フェルミオン半金属」を同定すること。
• スペクトル関数とDMFT計算を用いて、これらの位相の実験的に観測可能な特徴を理論的枠組みと数値的証拠で提供すること。

提案手法

• 亜鉛鉛鉱石格子上に、局在的f電子、移動的c電子、および混合項を含む3次元周期的アンダーセン模型を定式化する。
• 2次摂動理論を適用して有効非エルミートハミルトニアンを導出し、反転対称性の破れがサブラットスに依存する準粒子の寿命をもたらすことを示す。
• 有限温度における複素エネルギー平面にウェイル特異的環の出現を特定し、ウェイル点から発展することを示す。
• ダイナミカル・メトフィールド理論（DMFT）を用いてスペクトル関数を計算し、運動量空間におけるバルクフェルミチューブの形成を明らかにする。
• エネルギースペクトルおよびスペクトル関数の実部と虚部を分析し、特異的環およびフェルミ面トポロジの進化を同定する。
• マツバラグリーン関数および準粒子重みを用いてモット転移およびサイト選択的挙動を検証し、AおよびBサブラットスにおける明確な絶縁体／金属的応答の違いを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のハーミート的トポロジカル半金属を超える、三次元強相関系において有限境界を持つトポロジカル的フェルミ面が出現可能か？
• RQ2 有限温度効果および反転対称性の破れが、グリーン関数の複素極に特異的環を形成する仕組みは何か？
• RQ3 温度上昇に伴うフェルミ面トポロジの進化は何か？フェルミディスクからフェルミチューブへの遷移は可能か？
• RQ4 DMFTで計算されたスペクトル関数は、これらの特異的半金属位相の実験的に観測可能な特徴を明らかにできるか？
• RQ5 AおよびBサブラットスにおけるサイト選択的モット転移は、非エルミート的トポロジカル特徴の出現とどのように関係するか？

主な発見

• 有限温度下では、有効ハミルトニアン内のウェイル点が、サブラットス依存の準粒子寿命に起因し、境界付きフェルミディスクを有するウェイル特異的環に進化する。
• さらに温度が上昇すると、二組のウェイル特異的環が合体し、単一の境界付きフェルミ面（バルクフェルミチューブ）を有する二つの特異的環に変化する。
• DMFTで計算されたスペクトル関数は、フェルミチューブに沿ってゼロエネルギー付近に明るく広がった領域の出現を明確に示しており、運動量空間におけるフェルミチューブの存在を裏付ける。
• スペクトル関数は二つの明確な分岐を示す：虚部が小さい狭い鋭いピーク（青）と、虚部が大きい広がりのある弱いピーク（赤）で、後者のみが観測可能である理由を説明する。
• モット転移はサイト選択的である：Uの増加に伴いサブラットスAは金属-絶縁体転移を示すが、サブラットスBは金属のまま保たれる。これは反転対称性の破れと整合的である。
• マツバラグリーン関数の虚部および準粒子重みは、モット転移およびAおよびBサブラットスにおけるf電子の非等価な挙動を確認する。