[논문 리뷰] Flat bands, strange metals, and the Kondo effect

J. G. Checkelsky, B. Andrei Bernevig외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 17.

Iron-based superconductors research참고 문헌 193인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Kondo 물리학과 전자 구조의 위상학적 특성들을 통해 평탄한 밴드 시스템과 강한 상관 전자 시스템을 통합하는 프레임워크를 제안한다. 평탄한 밴드—특히 위상학적 성질을 가진 것들—는 잠재적인 Kondo 현상으로 이해될 수 있으며, Kondo 물리학은 위상학적 양자 물질을 풍부하게 하여 이상 금속성과 비정상 초전도성의 공통 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Flat band materials such as the kagome metals or moiré superlattice systems are of intense current interest. Flat bands can result from the electron motion on numerous (special) lattices and usually exhibit topological properties. Their reduced bandwidth proportionally enhances the effect of Coulomb interaction, even when the absolute magnitude of the latter is relatively small. Seemingly unrelated to these cases is the large family of strongly correlated electron systems, which includes the heavy fermion compounds, cuprate and pnictide superconductors. In addition to itinerant electrons from large, strongly overlapping orbitals, they frequently contain electrons from more localized orbitals, which are subject to a large Coulomb interaction. The question then arises as to what commonality in the physical properties and microscopic physics, if any, exists between the two broad categories of materials? A rapidly increasing body of strikingly similar phenomena across the different platforms -- from electronic localization-delocalization transitions to strange metal behavior and unconventional superconductivity -- suggests that similar underlying principles could be at play. Indeed, it has recently been suggested that flat band physics can be understood in terms of Kondo physics. Inversely, the concept of electronic topology from lattice symmetry, which is fundamental in flat band systems, is enriching the field of strongly correlated electron systems where correlation-driven topological phases are increasingly being investigated. Here we elucidate this connection, survey the new opportunities for cross-fertilization in understanding across the platforms, and assess the prospect for new insights that may be gained into both the correlation physics and its intersection with electronic topology.

연구 동기 및 목표

• 평탄한 밴드 물질과 강한 상관 전자 시스템 간의 공통 물리 원리를 규명하되, 전자 기원이 서로 다름에도 불구하고.
• 평탄한 밴드 시스템에서 국소화-비국소화 전이와 이상 금속 행동을 매개하는 Kondo 물리학의 역할을 조사한다.
• 격자 대칭성에서 기인하는 전자 위상학이 상관 효과에 의해 유도된 위상학적 상을 안정화하고 풍부하게 하는 방식을 탐색한다.
• 모리에 수반 격자, 카고메 금속, Kondo 절연체 간의 상호 교배 가능성을 평가하여 새로운 양자 상을 발견하는 데 기여한다.
• Kondo에 의해 유도된 평탄한 밴드에서 위상 초전도성과 분수 카이너 인서레이터 상태가 어떻게 나타날 수 있는지 검토한다.

제안 방법

• 특히 U/W 비율을 제어 변수로 삼아 평탄한 밴드 시스템에서 전자 상관 효과(U)와 밴드 폭(W) 간의 상호작용 분석.
• 위상학적 평탄한 밴드 물질에서 국소화된 전자와 도체 밴드 간의 결합을 기술하기 위해 Kondo 모델 프레임워크 적용.
• 위상학적 상을 분류하고 예측하기 위해 위상학적 불변량과 대칭 제약 조건(예: 공간군 대칭) 사용.
• 양자 진동, 저항률 스케일링, 표면 상태 등의 플랫폼 간 실험적 서명을 조사하여 일반화된 행동 식별.
• 강한 상관 효과와 위상학을 동시에 다루기 위해 그린 함수 기법과 비파erturbative 방법 활용.
• Kondo에 의해 유도된 와일 노드와 위상학적 평탄한 밴드 간의 유사성에 기반해 양자临계성과 이상 금속성의 기술을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상학적 밴드 구조를 가진 시스템에서 평탄한 밴드 물리학이 잠재적 Kondo 물리학의 한 형태로 이해될 수 있는가?
• RQ2 Kondo 효과와 위상학적 질서가 카고메 금속과 모리에 시스템과 같은 강한 상관 물질에서 얼마나 깊이 공존하고 상호 안정화되는가?
• RQ3 양자 임계성과 얽힘은 이상 금속 행동과 위상 초전도성 간의 연결 고리로 작용하는가?
• RQ4 강한 상관 효과와 위상학을 통해 Kondo 절연체에서 분수 카이너 인서레이터 상태를 실현할 수 있는가?
• RQ5 위상학과 강한 상관 효과를 통합한 대칭 강화 Kondo 모델은 새로운 물질 상을 어떻게 예측하는가?

주요 결과

• 특히 카고메 금속과 모리에 수반 격자와 같은 위상학적 성질을 가진 평탄한 밴드 시스템은 밴드 폭이 0에 가까워지면서 상관 효과가 강화되어 강한 Kondo 결합을 모방한다.
• 효율적 밴드 평탄도가 발산할 때 평탄한 밴드에서 이상 금속 행동이 나타나며, 이는 Kondo 양자 임계성과 유사한 국소화-비국소화 전이를 시사한다.
• CoSn과 마법의 각도를 가진 이중층 그래핀(MATBG)과 같은 물질에서 위상학적 평탄한 밴드는 분수 카이너 인서레이터의 서명을 지닌다. 이는 Kondo에 의해 유도된 위상학적 질서와 깊은 연관성을 시사한다.
• Ce3Bi4Pd3와 같은 시스템에서 Kondo 물리학은 와일 노드를 안정화시키고 위상학적 반도체 상을 지원하며, Kondo 선별이 위상학적 보호를 생성할 수 있음을 나타낸다.
• Kondo에 의해 유도된 양자 임계점에서 평탄한 밴드에서 위상 초전도성이 나타나며, 저항률 스케일링과 비페르미 액체 거동의 증거로부터 강력한 연관성이 있다.
• Kondo 파괴 양자 임계점에서 최대의 many-body 얽힘은 이상 금속의 특성으로서 특징지어지며, 이는 위상 양자 상(예: 양자 스핀 액체 포함)과 공통 기원을 가짐을 시사한다.