[논문 리뷰] Correlated topological phases in 3D complex oxides via Green's functions

Ara Go, William Witczak‐Krempa외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 20.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 세포 다이나믹스 평균장 이론(CD-DMFT)을 사용하여 3D 상관 복합 산화물, 특히 흑연산 이리데이트에서 상호작용하는 토폴로지적 위상상의 성질을 조사한다. 이는 자성-전기 토폴로지적 응답 계수를 계산하여 상호작용하는 아키온 절연체 위상이 존재함을 밝혀내며, 부피 응답 불변량과 표면 상태 분석을 결합하여 상관 시스템에서 대칭성에 의해 보호되는 토폴로지적 질서를 규명한다.

ABSTRACT

Topological phases of quantum matter defy characterization by conventional order parameters but can exhibit quantized electro-magnetic response and/or protected surface states. We examine such phenomena in a model for three-dimensional correlated complex oxides, the pyrochlore iridates. The model realizes interacting topological insulators with and without time-reversal symmetry, and topological Weyl semimetals. We use cellular dynamical mean field theory, a method that incorporates quantum-many-body effects and allows us to evaluate the magneto-electric topological response coefficient in correlated systems. This invariant is used to unravel the presence of an interacting axion insulator absent within a simple mean field study. We corroborate our bulk results by studying the evolution of the topological boundary states in the presence of interactions. Consequences for experiments and for the search for correlated materials with symmetry-protected topological order are given.

연구 동기 및 목표

• 3D 복합 산화물, 특히 흑연산 이리데이트에서 전자 상호작용이 토폴로지적 위상상을 어떻게 유도하는지 이해하는 것.
• 상관 시스템에서 상호작용하는 토폴로지적 절연체와 와이울 세미메탈과 같은 토폴로지적 상태를 식별하는 것.
• 대칭성에 의해 보호되는 토폴로지적 질서, 특히 아키온 절연체 위상이 평균장 근사 이론을 초월하여 나타나는지 여부를 규명하는 것.
• 전자 상호작용 하에서 부피 토폴로지 불변량과 표면 상태의 행동을 연결하는 것.

제안 방법

• 3D 흑연산 이리데이트 격자 모델에서 강한 전자 상호작용을 처리하기 위해 세포 다이나믹스 평균장 이론(CD-DMFT)을 적용한다.
• 자성-전기 토폴로지적 응답 계수를 부피 불변량으로 계산하여 아키온 절연체 행동을 탐지한다.
• 상호작용 존재 하에서 비트리비얼 및 트ivial 토폴로지적 위상상 간을 구분하기 위해 토폴로지 불변량을 사용한다.
• 전자 상호작용이 포함된 상황에서 토폴로지적 표면 상태의 진화를 분석하여 부피 결과를 뒷받침한다.
• 양자 다체 기법과 토폴로지 불변량을 융합하여 상관 물질에서 대칭성에 의해 보호되는 토폴로지적 질서를 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 상호작용은 3D 복합 산화물에서 상호작용하는 토폴로지적 절연체와 와이울 세미메탈과 같은 토폴로지적 위상상을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 상관 시스템에서 아키온 절연체 위상은 나타나며, 이는 평균장 이론을 초월하여 탐지 가능한가?
• RQ3 전자 상호작용이 포함될 경우 토폴로지적 표면 상태는 어떻게 진화하는가?
• RQ4 자성-전기 토폴로지적 응답 계수는 상관 물질에서 비트리비얼 토폴로지적 질서를 식별하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 자성-전기 토폴로지적 응답 계수를 통해 평균장 처리에서는 존재하지 않는 상호작용하는 아키온 절연체 위상이 존재함을 규명하였다.
• 이 연구는 흑연산 이리데이트 모델에서 시간역전대칭 보존 및 위반 상호작용 토폴로지적 절연체를 모두 식별하였다.
• 상호작용 시스템에서 토폴로지적 와이울 세미메탈 위상이 실현되었으며, 이는 페르미 아크 표면 상태 존재를 시사한다.
• 표면 상태 분석을 통해 전자 상호작용 하에서도 토폴로지적 경계 모드의 강건성이 확인되어 부피 토폴로지 불변량을 지지한다.