[論文レビュー] Hund's metals, explained

Luca de’ Medici|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2017

Rare-earth and actinide compounds被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、強いフンズ結合によって駆動される金属相としての「フンズ金属」を明確に定義し、準粒子質量の増大、局所的スピン揺らぎ、軌道選択的相関が特徴であると示している。ab-initioおよびモデル研究を通じて、これらの特徴が半フィルイン近傍の相関金属において一般に現れることを示し、電子圧縮率の発散が高Tc超伝導に結びつく準粒子相互作用の増強を示すものである。

ABSTRACT

A possible practical definition for a Hund's metal is given, as a metallic phase - arising consistently in realistic simulations and experiments in Fe-based superconductors and other materials - with three features: large electron masses, high-spin local configurations dominating the paramagnetic fluctuations and orbital-selective correlations. These features are triggered by, and increase with the proximity to, a Hund's coupling-favored Mott insulator that is realized for half-filled conduction bands. A clear crossover line is found where these three features get enhanced, departing from the Mott transition at half filling and extending in the interaction/doping plane, between a normal (at weak interaction and large doping) and a Hund's metal (at strong interaction and small doping). This phenomenology is found identically in models with featureless bands, highlighting the generality of this physics and its robustness by respect to the details of the material band structures. Some analytical arguments are also given to gain insight into these defining features. Finally the attention is brought on the recent theoretical finding of enhanced/diverging electronic compressibility near the Hund's metal crossover, pointing to enhanced quasiparticle interactions that can cause or boost superconductivity or other instabilities.

研究の動機と目的

• フンズ金属を明確に定義し、一般の相関金属とは区別すること。
• フンズ金属の性質が、バンド構造の詳細ではなく、フンズ結合に起因する局所的電子相関に由来することを確立すること。
• フンズ金属の特徴が、モデルおよび実際の材料（例：鉄系超伝導体）にわたって一般に成り立つことを示すこと。
• 正規金属からフンズ金属への転移が、増大する電子圧縮率および不安定性の兆候を示すこと。
• 圧縮率の増大と準粒子相互作用の強化を通じて、高Tc超伝導との可能性のある関連を探索すること。

提案手法

• 鉄系超伝導体の電子構造をシミュレートするため、ab-initio密度汎関数理論（DFT）とスレーブスピン平均場（SSMF）を組み合わせた手法。
• フラットな状態密度を持つ簡略化された5軌道 Hubbard モデルを用い、フンズ結合の役割を孤立して評価。
• フンズ結合による軌道選択的相関および質量増大の出現を説明する解析的多体理論。
• DFT+SSMFで計算された電子圧縮率を用い、フンズ金属への転移付近の不安定性を検出。
• 相互作用／ドーピング空間における相図のマッピングにより、正規金属とフンズ金属の相の境界線を特定。
• 準粒子質量および圧縮率の軌道別解析により、軌道選択性および相関強化の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フンズ金属は、曖昧な現象的記述を超えて、何によって特徴づけられ、材料中でどのように正確に同定できるか？
• RQ2 フンズ金属の特徴が、鉄系超伝導体の特定のバンド構造にどれほど依存するか？
• RQ3 フンズ結合は、金属相においてどのように軌道選択的相関と増大する準粒子質量を駆動するか？
• RQ4 電子圧縮率は、正規金属からフンズ金属への転移付近の不安定性をどのように示すか？
• RQ5 フンズ金属における圧縮率の増大は、準粒子相互作用の強化を通じて高Tc超伝導と結びつけられるか？

主な発見

• フンズ金属は、増大する準粒子質量、支配的となる局所的スピン揺らぎ、および軌道選択的相関という3つの主要特徴によって特徴づけられ、空孔ドーピングおよび相互作用強度の増大に伴い増大する。
• これらの特徴は、フラットな状態密度を持つ簡略化された Hubbard モデルでも持続しており、鉄系材料に限定されない一般性が裏付けられる。
• 正規金属からフンズ金属への転移は、半フィルインにおけるモット転移に沿った直線に沿って発生し、この境界付近で特徴が強化される。
• 電子圧縮率は転移付近で顕著に増大し、相分離または電荷密度波への不安定性を示す発散に至る。
• 圧縮率の増大は、軌道選択的質量増大の発現と相関しており、両者に共通するフンズ結合の物理的起源を示唆する。
• BaFe2As2に対するab-initio DFT+SSMF計算により、現実的な相互作用パラメータ（U=2.7 eV, J/U=0.25）のもとで圧縮率の「ヒゲ」が確認され、観測された超伝導および磁性不安定性と整合する。