[논문 리뷰] Extended regime of coexisting metallic and insulating phases in a two-orbital electronic system

M. Vandelli, J. Kaufmann외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Advanced Chemical Physics Studies인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 결정장 분리가 있는 이오비탈 허버드 모형에서 비국소적 상관관계 접근법을 통해 DMFT를 초월하여 금속성 및 모트 절연체 상 사이의 상당히 넓은 메타안정 공존 영역을 규명하였다. 비국소적 집단적 변동을 포함함으로써 동일한 전자 밀도에서 서로 다른 화학포텐셜을 가진 두 개의 해를 도출하였으며, 이로 인해 공존 영역이 밴드폭을 약간 초과하는 영역에서 두 배 이상의 밴드폭까지 확장되었다.

ABSTRACT

We investigate the metal-to-insulator phase transition driven by the density-density electronic interaction in the quarter-filled model on a cubic lattice with two orbitals split by a crystal field. We show that a systematic consideration of the non-local collective electronic fluctuations strongly affects the picture of the phase transition provided by the dynamical mean field theory. Our calculations reveal the appearance of metallic and Mott insulating states characterised by the same density but different values of the chemical potential, which is missing in the local approximation to electronic correlations. We find that the region of concomitant metastability of these two solutions is remarkably broad in terms of the interaction strength. It starts at a critical value of the interaction slightly larger than the bandwidth and extends to more than twice the bandwidth, where the two solutions merge into a Mott insulating phase. Our results illustrate that non-local correlations can have crucial consequences on the electronic properties in the strongly correlated regime of the simplest multi-orbital systems.

연구 동기 및 목표

• 결정장 분리가 있는 이오비탈 체계에서 비국소 전자 상관관계가 금속-절연체 전이에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 비국소 변동을 忽시하는 DMFT의 한계를 해결하고, 동일한 밀도에서 서로 다른 화학포텐셜을 가진 메타안정 상을 포착하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• 오비탈 분리와 전자 상관관계가 다이오비탈 체계에서의 모트 전이에 공동으로 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 비국소 상관관계에 의해 유도되는 다수의 안정 및 메타안정 상의 발생을 기반으로 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 전이 금속 산화물 및 풀러라이드와 관련된 강한 상관관계를 가지는 물질에서의 상 공존을 더 정확하게 기술하기 위해.

제안 방법

• DMFT의 국소 근사 이외의 비국소 전자 상관관계를 체계적으로 포함하기 위해 듀얼 페르미온 접근법을 사용하였다.
• 밀도-밀도 상호작용과 오비탈 간 결정장 분리가 있는 입방 격자 위의 이오비탈 허버드 모형을 사용하였다.
• 다이나믹스 평균장 이론을 기초로 하여, 비국소 변동 전개를 통해 집단적 전자 효과를 포착하기 위해 확장하였다.
• 상공존을 식별하기 위해 상호작용 강도 변화에 따라 화학포텐셜과 스펙트럼 함수를 추적하였다.
• 해석적 계속성과 자기에너지 보정과 같은 고급 수치 기법을 사용하여 전자 구조를 계산하였다.
• 특히 단일 밴드 모트 전이와 같은 알려진 극한과의 비교 및 일관성 검증을 통해 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비국소 전자 변동은 결정장 분리가 있는 이오비탈 모트 체계의 상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비국소 상관관계를 고려할 경우, 동일한 전자 밀도에서 서로 다른 화학포텐셜을 가진 메타안정 금속성 및 절연체 상이 공존할 수 있는가?
• RQ3 비국소 상관관계를 고려할 경우, 상호작용 강도에서의 공존 영역의 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 결정장 분리는 금속성 및 절연체 상의 안정성과 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비국소 상관관계를 포함할 경우, DMFT 예측과 비교해 볼 때 모트 전이의 임계 상호작용 강도는 어느 정도 수정되는가?

주요 결과

• 비국소 상관관계는 동일한 전자 밀도에서 서로 다른 화학포텐셜을 가진 두 개의 해—금속성 및 모트 절연체 상—의 존재를 이끌어낸다.
• 메타안정 공존 영역은 밴드폭을 약간 초과하는 상호작용 강도에서 시작하여 밴드폭의 두 배 이상까지 연장된다.
• 이 확장된 공존 영역는 비국소 변동을 忽시하는 표준 DMFT에서는 존재하지 않는다.
• 두 해가 융합되는 상호작용 강도가 밴드폭의 두 배를 초과할 때 모트 절연체 상이 안정화된다.
• 결과는 비국소 상관관계가 다이오비탈 강상관계 체계에서 진정한 상 행동을 포착하는 데 필수적임을 보여준다.
• 이러한 발견은 오비탈 분리와 비국소 효과가 공동으로 복잡한 상 공존을 촉진하며, DMFT의 국소적 그림을 도전함을 시사한다.