[論文レビュー] Orbital Selective Mott Transition Induced by Orbitals with Distinct Noninteracting Densities of States

Ze-Yi Song, Hunpyo Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2014

Iron-based superconductors research参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2軌道 Hubbard模型において、半フィルイン・ゼロ温度条件下で、結晶場分裂やバンド幅差、軌道簡並性の破れが存在しない状況でも、非相互作用状態密度（DOS）の違いに起因して、軌道選択的モット転移（OSMT）が生じうることを提案している。このメカニズムは、軌道間スピンフラクチュエーションに起因する局所スピン三重項状態の形成によって安定化されるKondo効果の2段階的崩壊に起因し、軌道分離とは異なり、軌道デカップリングとは関係しない。圧力下のVOClは、この新しいOSMT起源の実験的検証に向けた有望な候補とされている。

ABSTRACT

By applying dynamical mean-field theory in combination with exact diagonalization at zero temperature to a half-filled Hubbard model with two orbitals having distinct noninteracting densities of states, we show that an orbital selective Mott transition (OSMT) will take place even without crystal field splitting, differences in bandwidth and orbital degeneracy. We find that formation of local spin triplet states followed by a two-stage breakdown of the Kondo effect, rather than decoupling of charge degrees of freedom among different orbitals, is the underlying physics for the OSMT. The relevance of our findings to Ca$_{2-x}$Sr$_x$RuO$_4$ and the iron-based superconductors is discussed, and a decent candidate to detect such an origin for the OSMT is proposed.

研究の動機と目的

• バンド幅差、結晶場分裂、軌道簡並性の破れとは独立した、OSMTの新しい内在的起源を同定すること。
• 半フィルインの2軌道 Hubbard モデルにおいて、ゼロ温度下で異なる軌道に非相互作用状態密度（DOS）の差があることが、OSMTを引き起こすかを調査すること。
• このようなOSMTの背後にある物理的メカニズムを明確にし、特に、電荷自由度の抑制による軌道分離とは異なる点を区別すること。
• この新しいOSMTメカニズムの実験的実現に向け、VOClを圧力下で用いる現実的な材料候補を提案すること。

提案手法

• ゼロ温度下の2軌道 Hubbard モデルに、動的平均場理論（DMFT）と正確対角化（ED）をインピュリティソルバーとして適用する。
• 局所的クーロン相互作用（U, U', J）とフンズ結合項（J^±, J^z）を含み、非相互作用DOSを調整できる軌道固有の hopping パラメータを導入する。
• 一方の軌道の非相互作用DOSを準1次元的（例：ヘキサゴナル格子に類似）に、他方を準2次元的になるように設計し、バンド幅や結晶場分裂の差なしにDOSの差を生じさせる。
• 自己エネルギー、スペクトル関数、再正規化係数、スピン／電荷相関関数を計算し、モット局在化と軌道選択性を診断する。
• U/t–α 平面（α = 異方性パラメータ）および Hund の結合を変化させた場合の相図を構築し、OSMT相の安定性を調査する。
• スピンフラクチュエーションと Kondo 篩いの崩壊の役割を、スピン構造因子と局所スピン三重項状態形成を通じて分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バンド幅差、結晶場分裂、軌道簡並性の破れが存在しない状況でも、異なる非相互作用状態密度（DOS）の差に起因して、OSMTが生じ得るか？
• RQ2 軌道のDOSが異なる場合にOSMTを駆動する微視的メカニズムは何か？ また、これは、軌道間電荷フラクチュエーションの抑制による軌道分離とはどのように異なるか？
• RQ3 Hund の結合、特にスピン反転項が、OSMTの出現と安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 Kondo 効果の2段階的崩壊が、一方の軌道における電子の選択的局在化を可能にする役割は何か？
• RQ5 このDOS駆動OSMTが実験的に観測可能な現実的な物質系は存在するか？

主な発見

• 2軌道 Hubbard モデルにおいて、半フィルイン・ゼロ温度下で、非相互作用状態密度（DOS）に差がある軌道が存在する場合、バンド幅差や結晶場分裂がなくても、軌道選択的モット相（OSMP）が出現する。
• OSMTは、軌道間スピンフラクチュエーションに起因する局所スピン三重項状態の形成によって引き起こされるKondo効果の2段階的崩壊に起因する。これは、電荷自由度の分離とは異なり、軌道デカップリングとは関係しない。
• OSMPは Hund の結合のスピン反転項によって安定化される。この項が存在しないと、縮退した2電子状態からの強い軌道フラクチュエーションにより、OSMPは消滅する。
• α = 0.7 で、2つの軌道の非相互作用DOSが十分に類似するようになると、OSMPは縮小・消滅し、DOSの差が主因であることが確認される。
• 準2次元的軌道の再正規化係数（逆有効質量）は、準1次元的軌道よりも小さい。これは、後者のほうが質量増大が顕著であることに一致し、Sr2RuO4における実験的観測とも整合する。
• 圧力下のVOClは、2つの空のd軌道が異なるDOSを示し、結晶場分裂が無視できるほど小さく、バンド幅も類似していることから、このOSMTを実験的に実現可能な有望な候補とされている。また、実験的に多軌道モット絶縁体として知られている。