[논문 리뷰] Doped Orthogonal Metals Become Fermi Arcs

Chuang Chen, Tian Yuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 비편향 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여, 수직 반도체 상태에 도핑을 가하면 Luttinger 합 규칙을 위반하지만 대칭성을 깨지 않는 토폴로지적 Fermi 표면 세그먼트인 Fermi 아크가 나타남을 보여준다. 아크는 비구속 Z2 게이지 장과 함께 공존하며, 도핑 또는 게이지 장의 구속 조건을 조절함으로써 비구속 및 구속 Fermi 액체 상으로의 전이가 나타나는 상도를 밝혀낸다.

ABSTRACT

Orthogonal metal and semi-metal are recently discovered unconventional metallic states originated from strongly correlated lattice models. They are orthogonal to the established paradigm of Landau's Fermi-liquid (FL) in the sense that they acquire no Fermi surface (FS) but still conduct electronically and respond magnetically, and are therefore expected to hold the key of understanding experimental observations of non-Fermi-liquids - ranging from high-temperature superconductors to twisted graphene heterostructures. Here, we go a step further by doping the orthogonal semi-metal state in the lattice model, and unveal via unbiased quantum Monte Carlo simulation that the doped orthogonal semi-metal becomes Fermi arcs that go completely beyond the Luttinger sum-rule with broken FS but no symmetry breaking. The Fermi arcs coexist with a background of deconfined Z2 gauge field, and we find the confinement transition as well as the hopping of the gauge-neutral composite fermion will bring the 'large' FS back upon approaching a FL phase. The entire phase diamgram that contains Fermi arc metal, deconfined FL and confined FL are mapped out in unbiased manner.

연구 동기 및 목표

• 비라우트 만드는 Fermi-액체 프레디엄을 벗어난 비정상적인 금속상인 도핑된 수직 반도체 상태의 전자적 반응을 조사하기 위해.
• 전통적인 Fermi 표면이 없고 대칭성 깨짐 없이 Fermi 아크가 어떻게 나타나는지 이해하기 위해.
• Fermi 아크 금속, 비구속 Fermi 액체, 구속 Fermi 액체 상을 포함한 전체 상도를 매핑하기 위해.
• Z2 게이지 장과 그의 구속 전이가 저에너지 전자 구조에 미치는 영향을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 비편향 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 수직 반도체의 강한 상관관계가 있는 격자 모델을 연구하기 위해.
• Fermi 아크의 발생을 탐색하기 위해 수직 반도체 상태에 구멍 도핑을 도입하기 위해.
• 운동량 공간 스펙트럼 함수를 분석하여 Fermi 아크 특징을 식별하기 위해.
• 게이지 불변 관측량을 통해 Z2 게이지 장의 행동과 그의 구속 전이를 추적하기 위해.
• 게이지 중성 쿼어파티클의 이동을 해석하기 위해 복합 Fermion 모형을 사용하기 위해.
• 도핑과 게이지 장의 구속 조건 매개변수를 조절하여 전체 상도를 매핑하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 반도체에 도핑을 가하면 Luttinger 합 규칙을 위반하는 Fermi 아크가 어떻게 형성되는가?
• RQ2 비구속 Z2 게이지 장이 Fermi 아크 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 Z2 게이지 장의 구속 전이가 전통적인 Fermi 표면의 형성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 Fermi 아크 금속과 Fermi 액체 상 사이의 상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ5 게이지 중성 복합 Fermion의 이동이 Fermi 액체 상에 접근함에 따라 큰 Fermi 표면을 복원할 수 있는가?

주요 결과

• 수직 반도체에 도핑을 가하면 끊어진 상태이며 Luttinger 합 규칙을 만족하지 못하는 Fermi 아크가 생성되며, 이는 전통적인 Fermi 액체 이론의 기대와의 파국을 시사한다.
• Fermi 아크는 비구속 Z2 게이지 장과 함께 공존하며, 저에너지에서 갭이 없고 구속되지 않은 상태를 유지한다.
• 시스템을 Fermi 액체 상으로 향하게 조절함에 따라 Z2 게이지 장은 구속 전이를 겪으며, 이로 인해 큰 연결된 Fermi 표면이 복원된다.
• 게이지 장을 통해 일관되게 이동하는 복합 Fermion의 형성이 Fermi 표면의 재구성 메커니즘을 제공한다.
• 전체 상도는 비편향 방식으로 매핑되었으며, 명백한 상들이 드러났다: Fermi 아크 금속, 비구속 Fermi 액체, 구속 Fermi 액체.
• 비구속 Fermi 액체 상과 구속 Fermi 액체 상 사이의 전이는 연속적이며, 게이지 장의 구속 스케일에 의해 주도된다.