[論文レビュー] Extended regime of coexisting metallic and insulating phases in a two-orbital electronic system

M. Vandelli, J. Kaufmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Advanced Chemical Physics Studies被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、結晶場スプリングを伴う二軌道 Hubbard モデルにおいて、動的平均場理論（DMFT）を越える非局所な相関アプローチを用いて、金属相とモット絶縁体相の間で著しく広い範囲の準安定共存が存在することを明らかにした。非局所な集団的フラクチュエーションの取り入れにより、同じ電子密度に対して異なる化学ポテンシャルをとる二つの異なる解が得られ、共存領域はバンド幅のわずか上から、バンド幅の2倍以上にまで拡大された。

ABSTRACT

We investigate the metal-to-insulator phase transition driven by the density-density electronic interaction in the quarter-filled model on a cubic lattice with two orbitals split by a crystal field. We show that a systematic consideration of the non-local collective electronic fluctuations strongly affects the picture of the phase transition provided by the dynamical mean field theory. Our calculations reveal the appearance of metallic and Mott insulating states characterised by the same density but different values of the chemical potential, which is missing in the local approximation to electronic correlations. We find that the region of concomitant metastability of these two solutions is remarkably broad in terms of the interaction strength. It starts at a critical value of the interaction slightly larger than the bandwidth and extends to more than twice the bandwidth, where the two solutions merge into a Mott insulating phase. Our results illustrate that non-local correlations can have crucial consequences on the electronic properties in the strongly correlated regime of the simplest multi-orbital systems.

研究の動機と目的

• 結晶場スプリングを伴う二軌道系における非局所的電子相関の影響が金属-絶縁体転移に与える影響を調査すること。
• 非局所フラクチュエーションを無視するため、金属相と絶縁体相の準安定状態が同じ密度で異なる化学ポテンシャルをとることを捉えられない動的平均場理論（DMFT）の限界を克服すること。
• 軌道スプリングと電子相関が、多軌道系におけるモット転移にどのように作用するかを明らかにすること。
• 非局所相関によって生じる複数の安定および準安定相の出現を捉える理論的枠組みを確立すること。
• 遷移金属酸化物やフルーロライトに代表される強相関材料における相共存のより正確な記述を提供すること。

提案手法

• DMFTの局所近似を超えて非局所な電子相関を体系的に入込むために、デュアルフェルミオン法を用いた。
• 密度-密度相互作用と軌道間の結晶場スプリングを伴う体積格子上の二軌道 Hubbard モデルを採用した。
• 動的平均場理論を出発点とし、非局所フラクチュエーション拡張を用いて集団的電子効果を捉えた。
• 相互作用強度を変化させながら化学ポテンシャルとスペクトル関数を追跡し、相共存を同定した。
• 解析的続行と自己エネルギー補正を含む高度な数値技術を用いて、電子構造を計算した。
• 既知の極限（例：単バンドモット転移）との比較と一貫性チェックを通じて、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局所的電子フラクチュエーションは、結晶場スプリングを伴う二軌道モット系の相図にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非局所相関を組み込むことで、同じ電子密度だが異なる化学ポテンシャルを持つ準安定金属相と絶縁体相が共存可能か？
• RQ3 非局所相関を考慮した場合、相互作用強度の範囲として共存領域はどの程度広がるか？
• RQ4 結晶場スプリングは金属相および絶縁体相の安定性と性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 DMFT予測と比較して、非局所相関の取り入れがモット転移の臨界相互作用強度にどの程度修正を加えるか？

主な発見

• 非局所相関により、同じ電子密度で異なる化学ポテンシャルを持つ二つの異なる解（金属相とモット絶縁体相）が共存することが明らかになった。
• 準安定共存領域は、バンド幅のわずか上から、バンド幅の2倍以上にまで広がっている。
• 標準的 DMFT では非局所フラクチュエーションを無視しているため、この拡大された共存領域は存在しない。
• 二つの解が合体する点まで、相互作用強度がバンド幅の2倍を超えてもモット絶縁体相が安定化される。
• 非局所相関が多軌道強相関系の真の相挙動を捉えるために不可欠であることが示された。
• 結果は、軌道スプリングと非局所効果が共同で複雑な相共存を促進し、DMFT の局所的描写を挑戦することを示唆している。