[論文レビュー] Flat bands, strange metals, and the Kondo effect

J. G. Checkelsky, B. Andrei Bernevig+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2023

Iron-based superconductors research参考文献 193被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、Kondo物理学と電子的位相の両面から、フラットバンド系と強相関電子系を統一的な枠組みで結びつける。フラットバンド、特に位相的性質を有するもの—特にトポロジカルなフラットバンド—は、有効なKondo現象として理解可能であり、Kondo物理学は位相的量子物質を豊かにし、奇妙な金属性と非代替的超伝導の共通のメカニズムを明らかにする。

ABSTRACT

Flat band materials such as the kagome metals or moiré superlattice systems are of intense current interest. Flat bands can result from the electron motion on numerous (special) lattices and usually exhibit topological properties. Their reduced bandwidth proportionally enhances the effect of Coulomb interaction, even when the absolute magnitude of the latter is relatively small. Seemingly unrelated to these cases is the large family of strongly correlated electron systems, which includes the heavy fermion compounds, cuprate and pnictide superconductors. In addition to itinerant electrons from large, strongly overlapping orbitals, they frequently contain electrons from more localized orbitals, which are subject to a large Coulomb interaction. The question then arises as to what commonality in the physical properties and microscopic physics, if any, exists between the two broad categories of materials? A rapidly increasing body of strikingly similar phenomena across the different platforms -- from electronic localization-delocalization transitions to strange metal behavior and unconventional superconductivity -- suggests that similar underlying principles could be at play. Indeed, it has recently been suggested that flat band physics can be understood in terms of Kondo physics. Inversely, the concept of electronic topology from lattice symmetry, which is fundamental in flat band systems, is enriching the field of strongly correlated electron systems where correlation-driven topological phases are increasingly being investigated. Here we elucidate this connection, survey the new opportunities for cross-fertilization in understanding across the platforms, and assess the prospect for new insights that may be gained into both the correlation physics and its intersection with electronic topology.

研究の動機と目的

• フラットバンド材料と強相関電子系の背後にある共通の物理的原理を、電子的起源の相違にもかかわらず特定すること。
• Kondo物理学がフラットバンド系における局在-拡散遷移および奇妙な金属的挙動をどのように媒介するかを調査すること。
• 格子対称性に起因する電子的位相が、相関効果によって誘発される位相的相を安定化・拡張する役割を明らかにすること。
• モアレ超格子、カグラメタル、Kondo絶縁体の間での相互浸透的展開が、新しい量子相の発見にどう寄与できるかを評価すること。
• Kondo駆動フラットバンドからトポロジカル超伝導と分数量チャーン絶縁体が出現するかどうかを検討すること。

提案手法

• 特にU/W比を制御パラメータとして用い、フラットバンド系における電子相関(U)とバンド幅(W)の相乗的相互作用を分析すること。
• トポロジカルなフラットバンド材料における局在電子と伝導帯の結合を記述するため、Kondoモデルの枠組みを適用すること。
• トポロジカル不変量と対称性制約（例えば、空間群対称性）を用いて、相関系における新規トポロジカル相の分類と予測を行うこと。
• 量子振動、抵抗率スケーリング、エッジ状態といったプラットフォーム間の実験的シグナチャーを調査し、普遍的挙動を同定すること。
• 強相関とトポロジーを同時に扱うために、グリーン関数技法と非摂動的手法を活用すること。
• Kondo駆動Weylノードとトポロジカルフラットバンドの類似性に着目し、量子臨界性と奇妙な金属性の記述を統一すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカルバンド構造を有する系において、フラットバンド物理学がKondo物理学の発現的形態として理解可能であるか。
• RQ2 Kondo効果とトポロジカル秩序が、カグラメタルやモアレ系といった強相関材料において、どの程度共存し、互いに安定化し合うか。
• RQ3 量子臨界性ともつれが、奇妙な金属的挙動とトポロジカル超伝導を結ぶ役割を果たすか。
• RQ4 強相関とトポロジーを介して、Kondo絶縁体において分数量チャーン絶縁体状態が実現可能か。
• RQ5 トポロジーと強相関を統合したKondoモデルが、物質の新しい相を予測するにはどう寄与するか。

主な発見

• 特にカグラメタルやモアレ超格子のようなトポロジカル的性質を有するフラットバンド系は、バンド幅がゼロに近づくため相関効果が強化され、強いKondo結合に類似した挙動を示す。
• フラットバンドにおける奇妙な金属的挙動は、有効なバンドフラットネスが発散する際に生じ、Kondo量子臨界性に類似した局在-拡散遷移を示唆する。
• CoSn やマジックアングル二層グラフェン（MATBG）といった材料におけるトポロジカルフラットバンドは、分数量チャーン絶縁体のシグナチャーを示しており、Kondo駆動トポロジカル秩序との深い関係を示唆する。
• Ce3Bi4Pd3 などの系におけるKondo物理学は、Weylノードを安定化させ、トポロジカル半金属相を支持しており、Kondoスクリーニングがトポロジカル保護を生成可能であることを示している。
• フラットバンドにおけるトポロジカル超伝導の出現は、Kondo駆動量子臨界性と強く関連しており、抵抗率スケーリングと非フェルミ液体的挙動の証拠から裏付けられている。
• Kondo消失量子臨界点における最大の多体もつれ—奇妙な金属に特徴的なもの—は、トポロジカル量子相（例えば、量子スピン液体）と共通の起源を有する可能性を示唆している。