[논문 리뷰] Exceptional Heavy-Fermion Semimetals in Three Dimensions

Yu-Liang Tao, Tao Qin외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 05.

Advanced Materials Characterization Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비대칭성의 붕괴를 가진 주기적 앤더슨 모형에서 새로운 3차원 특이한 헤비 페르미온 반도체 상을 제안한다. 유한 온도 효과는 와이울 포인트를 와이울 특이성 원으로 변형시키고, 결국 경계가 있는 격자 내부 페르미 관통관을 수용하는 두 개의 특이성 원으로 이어진다. 동적 평균장 이론과 섭동 이론을 사용하여, 각도 분 giải 광전자 방출 분석을 통한 실험적으로 관측 가능한 스펙트럼 서명을 제시한다.

ABSTRACT

Topological heavy-fermion systems in three dimensions are usually classified as topological insulators or semimetals. Here, we theoretically predict a different type of heavy-fermion system (dubbed exceptional heavy-fermion semimetal) by studying a three-dimensional periodic Anderson model consisting of strongly correlated localized $f$ electrons and itinerant conduction $c$ electrons in a zincblende lattice. Due to the breaking of inversion symmetry, the quasiparticle lifetimes at different sublattices are distinct, leading to the emergence of Weyl exceptional rings in the complex pole of the Green's function at finite temperatures; such rings lead to the appearance of bounded Fermi surfaces (bulk Fermi disks). As temperatures rise, two pairs of Weyl exceptional rings merge into two exceptional rings with one bounded bulk Fermi surface (bulk Fermi tube), which are experimentally measurable by angle-resolved photoemission spectroscopy. Finally, we use the dynamical mean field theory to calculate the spectral functions which illustrate the emergence of bulk Fermi tubes. Our work thus opens the door for studying exceptional heavy-fermion semimetal phases in three dimensions.

연구 동기 및 목표

• 헤르미트 비상호작용 모형을 초월한 3차원 강상호작용 체계에서 경계를 가진 위상적 페르미 표면의 발생을 탐색한다.
• 비헤르미트 효과에 의한 준입자 붕괴로 인해 실제 3차원 헤비 페르미온 물질에서 유한 경계를 가진 격자 내부 페르미 표면이 나타날 수 있는지 조사한다.
• 복소 피드 함수의 특이성 원과 경계가 있는 페르미 표면을 특징으로 하는 새로운 위상적 상—특이성 헤비 페르미온 반도체—를 규명한다.
• 스펙트럼 함수와 DMFT 계산을 통해 실험적으로 관측 가능한 서명을 위한 이론적 프레임워크와 수치적 증거를 제공한다.

제안 방법

• 아연 블랜드 격자에 3차원 주기적 앤더슨 모형을 설정하여 A 및 B 서브격자, 국소 f-전자, 이동성 c-전자, 그리고 하이브리드화를 포함한다.
• 2차 섭동 이론을 적용하여 효과적인 비헤르미트 해밀토니안을 유도하며, 비대칭성의 붕괴가 서브격자에 따라 다른 준입자 수명을 유도함을 보여준다.
• 유한 온도에서 복소 에너지 평면상에 와이울 특이성 원이 나타남을 확인하며, 이는 와이울 포인트에서 유래됨을 밝힌다.
• 동적 평균장 이론(DMFT)을 사용하여 스펙트럼 함수를 계산하고, 동역학적 페르미 관통관이 운동량 공간에서 형성됨을 밝힌다.
• 에너지 스펙트럼과 스펙트럼 함수의 실수부 및 허수부를 분석하여 특이성 원과 페르미 표면 위상 기하학의 진화를 규명한다.
• 마츠부라 그린 함수와 준입자 무게를 통해 모트 전이와 위치 선택적 행동을 검증하여 A 및 B 서브격자에서의 고립체/금속 반응이 상이함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 헤르미트 위상 반도체를 초월한 3차원 강상호작용 체계에서 경계를 가진 위상적 페르미 표면이 나타날 수 있는가?
• RQ2 유한 온도 효과와 비대칭성의 붕괴는 그린 함수의 복소 극에서 특이성 원을 어떻게 형성하는가?
• RQ3 온도가 상승함에 따라 페르미 표면 위상 기하학은 어떻게 변화하며, 페르미 디스크에서 페르미 관통관으로의 전이가 가능한가?
• RQ4 DMFT를 통해 계산된 스펙트럼 함수는 이러한 특이성 반도체 상의 실험적으로 관측 가능한 서명을 드러내는가?
• RQ5 A 및 B 서브격자에서의 위치 선택적 모트 전이와 비헤르미트 위상적 특성의 발생은 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 유한 온도에서 효과적 해밀토니안의 와이울 포인트는 서브격자에 따라 다른 준입자 수명으로 인해 경계가 있는 페르미 디스크를 수반하는 와이울 특이성 원으로 진화한다.
• 온도가 더 높아지면 두 쌍의 와이울 특이성 원이 융합되어 단일 경계가 있는 페르미 표면을 수용하는 두 개의 특이성 원으로 형성되며, 이는 격자 내부 페르미 관통관의 형태로 나타난다.
• DMFT를 통해 계산된 스펙트럼 함수는 페르미 관통관 주변에서 영역이 밝고 연장된 영역이 나타남을 명확히 보여주며, 이는 운동량 공간에서의 존재를 확인한다.
• 스펙트럼 함수는 두 개의 별개의 분지로 나타나며, 작은 허수부를 가진 날카럽고 좁은 피크(파랑)와 큰 허수부를 가진 넓고 약한 피크(빨강)로 구성되어 있으며, 이는 오직 한 분지만 가시성이 있음을 설명한다.
• 모트 전이는 위치 선택적이다: U가 증가함에 따라 서브격자 A는 금속-고립체 전이를 겪지만, 서브격자 B는 금속 상태를 유지한다. 이는 비대칭성의 붕괴와 일치한다.
• 마츠부라 그린 함수의 허수부와 준입자 무게는 모트 전이와 A 및 B 서브격자에서 f-전자 간 비동일 행동을 확인한다.