[논문 리뷰] Topological semimetals without quasiparticles

Haoyu Hu, Lei Chen외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 전자 상호작용을 가진 계에서 상호작용에 의해 유도된 임의의 진동자 없이도 위상적 준금속을 실현하기 위한 프레임워크를 제안한다. 카고메 격자에서의 이중채널 주기적 앤더슨 모형을 사용하여, 거듭제곱 법칙 스펙트럼 함수, 보호된 디랙 노드, 양자화된 밸리 홀 전도도를 갖는 비페르미 액체 위상적 상태를 입증한다. 이는 자유전자 모형을 초월한 위상적 상태로 가는 길을 제시한다.

ABSTRACT

The interplay between interactions and topology in quantum materials is of extensive current interest. Strong correlations are known to be important for insulating topological states, as exemplified by the fractional quantum Hall effect. For the metallic case, whether and how they can drive topological states that have no free-electron counterparts is an open and pressing question. We introduce a general framework for lattice symmetries to constrain single-particle excitations even when they are not quasiparticles, and substantiate it in a periodic Anderson model with two channels of conduction electrons. We demonstrate that symmetry constrains correlation-induced emergent excitations to produce non-Fermi liquid topological phases. The loss of quasiparticles in these phases is manifested in a non-Fermi liquid form of spectral and transport properties, whereas its topological nature is characterized by surface states and valley and spin Hall conductivities. We also identify candidate materials to realize the proposed phases. Our work opens a door to a variety of non-Fermi liquid topological phases in a broad range of strongly correlated materials.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관관계로 인해 진동자 기술이 불가능한 위상적 준금속을 위한 이론적 프레임워크를 수립하는 것.
• 격자 대칭성이 비진동자 진동자들을 제약하여 강건한 위상적 상태를 생성할 수 있음을 보여주는 것.
• 강한 상관관계가 있는 전자계에서 임의의 디랙 노드와 양자화된 운반 특성을 갖는 비페르미 액체 위상적 준금속을 식별하는 것.
• PrFe₄P₁₂와 UPt₃Au₂를 포함한 후보 물질에서 이러한 상태를 보여주는 예측 모델을 제공하는 것.

제안 방법

• 진동자가 비정상일지라도 그린 함수 고유벡터에 대한 공간군 대칭 제약을 기반으로 한 수학적 형식화.
• 강한 전자 상호작용과 코니 시딩을 모델링하기 위해 이중 도핑 채널을 사용한 주기적 앤더슨 모형의 사용.
• 동적 평균장 이론(DMFT)과 수치적 재규합 그룹(NRG) 기법을 통해 자가에너지 및 스펙트럼 함수의 수치적 해법.
• 자기에너지 및 스펙트럼 함수 분석을 통해 비페르미 액체 행동을 나타내는 거듭제곱 법칙 행동을 식별하는 것.
• 밸리 및 스핀 홀 전도도 계산을 통해 위상적 특성을 탐색하고, 가장자리 상태 분석을 통해 표면 상태를 확인하는 것.
• 실험적 저항도 및 비열 데이터와의 비교를 통해 후보 물질 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상관관계로 인해 진동자가 없을 때 격자 대칭성이 위상적 준금속을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 강한 상관관계가 있는 계에서 비페르미 액체 위상적 상태의 스펙트럼 및 운반 특성은 무엇인가?
• RQ3 진동자가 없을 때 공간군 대칭성이 임의의 진동자의 분산과 degeneracy를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 비페르미 액체 위상적 준금속은 자유전자 위상적 상태와 단계적으로 연결될 수 있는가?
• RQ5 실제로 이러한 상태를 수용할 수 있는 후보 물질은 무엇인가?

주요 결과

• 3D 및 2D 카고메 격자 모형에서 유도된 진동자의 스펙트럼 함수는 주파수의 두 개의 디아데나이드 범위에서 ω⁻¹/²의 거듭제곱 법칙 의존성을 보이며, 비페르미 액체 행동을 나타낸다.
• 자기에너지가 √|ω| 비례로 허수부를 갖는 극을 형성하여 진동자 기술의 붕괴와 일치하는 비페르미 액체 물리학을 확인한다.
• 2D 카고메 모형에서 디랙 노드가 패스트 에너지에서 나타나며, 두 개의 서로 다른 모드에서 유래한 스펙트럼 피크가 보호된 점에서 교차함을 확인하였고, EF 근처의 밴드 재구성에 의해 뒷받침된다.
• 저온에서 전기 저항도와 밸리 홀 전도도 모두 √T 비례로 변화하며, 비페르미 액체 행동의 상징적 특징이다.
• 3D 카고메 모형에서 표면에 대해 지수적으로 감쇠하는 가장자리 상태가 관측되어 위상적으로 보호된 표면 모드 존재를 확인한다.
• PrFe₄P₁₂와 UPt₃Au₂는 후보 물질로 식별되었다: PrFe₄P₁₂는 무거운 페르미온 행동을 보이며 자기장에 의해 저항도가 감소하는 경향을 보이며, UPt₃Au₂는 큰 저항도와 온도에 대한 약한 의존성을 보여 비금속적이고 상관관계가 강한 상태임을 확인한다.