[論文レビュー] Extraordinary Coulomb correlations and incipient excitonic instability of Weyl fermions

M. Hirata, Kyohei Ishikawa+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 11被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、核磁気共鳴（NMR）を用いて、2次元Weylフェルミオンにおける特異なクーロン相関を明らかにした。相互作用によって引き起こされる速度の再正則化が、零運動量スピン揺らぎを抑制するため、コルリングa比が1000倍に発散することを示した。低温ではNMR率が著しく増加し、準位の励起子秩序の兆候であり、質量のある準粒子への転移を示唆している。

ABSTRACT

Recent advances in the study of nodal Weyl fermions (WFs), quasi-relativistic massless particles, constitute a novel realm of quantum many-body phenomena. The Coulomb interaction in such systems, having a zero density of states at the Fermi level, is of particular interest, since in contrast to conventional correlated metals, its long-ranged component is unscreened. Here, through nuclear-magnetic-resonance (NMR) measurements, we unveil the exotic spin correlations of two-dimensional WFs in an organic material, causing a divergent increase of the Korringa ratio by a factor of 1000 upon cooling, in striking contrast with conventional metallic behaviors. Combined with model calculations, we show that this divergence stems from the interaction-driven velocity renormalization that almost exclusively suppresses the zero-momentum spin fluctuations. At low temperatures, the NMR rate shows a remarkable increase, which is shown by numerical analyses to correspond to inter-node excitonic fluctuations, precursor of a transition from massless to massive quasiparticles.

研究の動機と目的

• フェルミ面における状態密度がゼロであるため、長距離相互作用がスクリーニングされない2次元Weylフェルミオンにおけるクーロン相関の性質を調査すること。
• 電子間相互作用が質量のないWeylフェルミオンで異常なスピン相関を引き起こすメカニズムを理解すること。これは、従来の金属とは対照的である。
• 質量のない準粒子から質量のある準粒子への転移の前触れとして、顕在する励起子秩序の出現を調べること。
• 実験的NMRデータと理論的モデルを結びつけることで、観測された発散的挙動の微視的起源を特定すること。

提案手法

• 有機Weyl半金属における核磁気共鳴（NMR）測定を実施し、局所的スピンダイナミクスと温度依存のコルリングa比の変化を調べた。
• 温度依存のNMR緩和率の分析により、ノード間の励起子揺らぎの兆候を検出した。
• 電子間相互作用の効果を模擬するモデル計算を用い、速度再正則化とスピン揺らぎの抑制に注目した。
• 数値解析を用いて、観測されたNMR率の増大が系内での励起子秩序の発現と関連していることを示した。
• 実験データと理論的予測を比較し、スクリーニングされないクーロン相互作用が異常な挙動を駆動する役割を検証した。
• 励起子不安定性の兆候としての零運動量スピン揺らぎを、主な診断指標として焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スクリーニングされないクーロン相互作用は、2次元Weylフェルミオンにおけるスピン相関にどのように影響を与えるか？
• RQ2 冷却に伴ってコルリングa比が1000倍に発散するのはなぜか？これは従来の金属的挙動とどのように異なるか？
• RQ3 相互作用によって引き起こされる速度再正則化は、Weylフェルミオン系における零運動量スピン揺らぎをどの程度抑制するか？
• RQ4 低温でのNMR緩和率の増大の原因は何か？これはどのように励起子揺らぎに関連しているか？
• RQ5 数値解析により、観測された挙動が質量のある準粒子状態の始まりを示していると確認できるか？

主な発見

• 冷却に伴ってコルリングa比が1000倍に増加し、従来の金属では観測されない極めて強いスピン相関を示している。
• この発散は、零運動量スピン揺らぎを強く抑制する相互作用による速度再正則化に起因する。
• 低温におけるNMR緩和率の顕著な増加は、ノード間の励起子揺らぎの発現を示唆している。
• 数値解析により、NMR率の増大が質量のない準粒子から質量のある準粒子への転移の前駆け揺らぎに対応していることが確認された。
• 観測された挙動は、フェルミ面における状態密度がゼロである系におけるスクリーニングされない長距離クーロン相互作用に起因する。
• モデル計算により、低エネルギーのスピン揺らぎの抑制が主な効果であり、これが励起子不安定性への駆動要因であることが支持された。