[論文レビュー] Extended Dynamical Mean Field Theory for Correlated Electron Models

Haoyu Hu, Lei Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、局所的（例：ハッブル）および非局所的（例：RKKY）相互作用を有する相関電子系を非摂動的枠組みで研究するための拡張動的平均場理論（EDMFT）を提示する。局所的Kondoスクリーニングと長距離RKKY相互作用の動的競合を扱うことで、EDMFTは量子臨界点におけるKondo破壊を明らかにし、準粒子の崩壊とプランクラスケーリングを引き起こす。この理論は、重いフェルミオン金属および鉄系超伝導体における軌道選択的モット物理学、トポロジカルなフラットバンドへの応用を含む。

ABSTRACT

An overarching question in strongly correlated electron systems is how the landscape of quantum phases emerges from electron correlations. The method of extended dynamical mean field theory (EDMFT) has been developed for clean lattice models of the correlated electrons. For such models, not only onsite Hubbard-like interactions are important, but so are intersite interactions. Importantly, the EDMFT method treats the interplay between the onsite and intersite interactions dynamically. It was initially formulated for models of the two-band Anderson-lattice type with intersite interactions, as well as for the one-band Hubbard type with intersite Heisenberg-like terms that are often called Hubbard-Heisenberg models. In the case of Kondo lattice models, the EDMFT method incorporates a dynamical competition between the local Kondo and intersite Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interactions. In these models, the EDMFT-based analyses led to the notion of Kondo destruction, which has played a central role in the understanding of quantum critical heavy fermion metals. In this article, we summarize the EDMFT method, and survey its applications, particularly for Kondo/Anderson lattice models. We also discuss the prospect for further developing the EDMFT method, as well as for applying it to address the correlation physics in a variety of new settings. Among the latter are the orbital-selective Mott physics that arises both in iron-based superconductors and in frustrated bulk systems with topological flat bands.

研究の動機と目的

• 局所的および非局所的相互作用を有する相関電子モデルのための非摂動的枠組みの開発。
• Kondo/アンドリゲン格子模型における局所的Kondo相互作用と非局所的RKKY相互作用の動的競合の取り扱い。
• 重いフェルミオン系における量子臨界点での準粒子の崩壊およびプランクラスケーリングの出現の解明。
• EDMFTを鉄系超伝導体やトポロジカルフラットバンドを有する運動的フラストレーション系を含む新しい量子材料に拡張すること。
• GW+EDMFT手法を用いて第一原理的電子構造計算を可能にすること。

提案手法

• EDMFTは、標準的DMFTに、周波数および運動量に依存する非局所的相互作用（例：RKKY）を動的かつ統合的に組み込む。
• 本手法は、局所的相互作用（例：Kondo）および非局所的スピン交換項（例：ヘイゼンベルグ/RKKY）を含むイミュラ問題を自己無撞撃的に解く。
• 局所的スクリーニングと長距離スピン相関の相互作用を捉えるために、動的自己エネルギー法を用いる。
• イミュラソルバーには量子モンテカルロ法または正確対角化法を用い、格子上の運動量統合は自己無撞撃条件により実装される。
• GW+EDMFTハイブリッド手法では、GW自己エネルギーの局所的成分をEDMFTで得た局所的自己エネルギーに置き換えることで、第一原理的電子構造計算を実現する。
• 新しい設定では、EDMFTを軌道混合およびトポロジカルフラットバンドを有するモデルに適用し、軌道選択的モット遷移を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的Kondo相互作用と非局所的RKKY相互作用の動的競合は、重いフェルミオン金属における量子相転移をどのように駆動するか？
• RQ2 量子臨界点における準粒子の崩壊およびプランクラスケーリングの出現に、Kondo破壊が果たす役割は何か？
• RQ3 EDMFTは、軌道間混合およびスピン交換相互作用を有する鉄系超伝導体における軌道選択的モット遷移を記述できるか？
• RQ4 運動的フラストレーションを有するバルク系にトポロジカルフラットバンドが存在する場合、EDMFTはどのように相関物理を捉えるか？
• RQ5 GW+EDMFT手法は、強い相関材料における第一原理的電子構造計算をどの程度改善できるか？

主な発見

• EDMFTは、局所的Kondoスクリーニングと非局所的RKKY相互作用の動的競合が、量子臨界点における準粒子重みの崩壊を引き起こすことを明らかにした。
• 本手法は、量子臨界点で巨大なフェルミ面から小さなフェルミ面への急激な遷移を予測し、フェルミ液体の破綻を示唆した。
• EDMFTは自己エネルギーにおけるプランクラスケーリング（ℏω/kB T）を捉え、量子臨界点近傍の非フェルミ液体的動力学を示した。
• 鉄系超伝導体において、EDMFTは軌道間混合および非局所的スピン交換相互作用によって駆動される軌道選択的モット物理学を記述するフレームワークを提供した。
• トポロジカルフラットバンド系では、導電帯と結合する際、EDMFTは有効な軌道選択的モット遷移を予測し、新しい相関駆動現象を示唆した。
• GW+EDMFT手法により、局所的GW自己エネルギーをEDMFTで得た結果に置き換えることで、非摂動的かつ第一原理的な電子構造計算が可能となり、相関材料における精度が向上した。