[논문 리뷰] Bad metal and negative compressibility transitions in a two-band Hubbard model

Raymond Frésard, Kevin Steffen외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 74인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유한한 헌드 상호작용을 가진 두 밴드 허버드 모형에서 정수 밀도 n=2 근처에서 음의 전자 압축성과 악성 금속 전이를 스레이브 보손 방법을 사용하여 연구한다. 이는 쿼웨이프article와 집단 보손 장 사이의 미세한 상호작용에 의해 압축성이 결정되며, 이는 이질구조에서 안정적인 음의 압축성을 가능하게 하는 피드백 메커니즘을 포함한다. 이는 소규모 밀도 또는 전압 변화로 조절 가능한 고용량 장치를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We analyze the paramagnetic state of a two-band Hubbard model with finite Hund's coupling close to integer filling at $n=2$ in two spacial dimensions. Previously, a Mott metal-insulator transition was established at $n=2$ with a coexistence region of a metallic and a bad metal state in the vicinity of that integer filling. The coexistence region ends at a critical point beyond which a charge instability persists. Here we investigate the transition into negative electronic compressibility states for an extended filling range close to $n=2$ within a slave boson setup. We analyze the separate contributions from the (fermionic) quasiparticles and the (bosonic) multiparticle incoherent background and find that the total compressibility depends on a subtle interplay between the quasiparticle excitations and collective fields. Implementing a Blume-Emery-Griffiths model approach for the slave bosons, which mimics the bosonic fields by Ising-like pseudospins, we suggest a feedback mechanism between these fields and the fermionic degrees of freedom. We argue that the negative compressibility can be sustained for heterostructures of such strongly correlated planes and results in a large capacitance of these structures. The strong density dependence of these capacitances allows to tune them through small electronic density variations. Moreover, by resistive switching from a Mott insulating state to a metallic state through short electric pulses, transitions between fairly different capacitances are within reach.

연구 동기 및 목표

• 유한한 헌드 상호작용을 가진 두 밴드 허버드 모형에서 n=2 근처에서 음의 전자 압축성이 어떻게 나타나는지 이해하는 것.
• 압축성 불안정성을 이끄는 쿼웨이프article 진동과 집단 보손 자유도 사이의 상호작용을 조사하는 것.
• 강한 상관관계를 가진 물질의 이질구조에서 안정적인 음의 압축성 상태를 실현할 수 있는지 탐색하는 것.
• 전자 밀도 조절 또는 저항성 스위칭을 통해 이러한 시스템에서 큰, 가역적인 용량 변화를 가능하게 하는 방법을 보여주는 것.

제안 방법

• 두 밴드 허버드 모형에서 페르미온 및 보손 자유도를 분리하기 위해 스레이브 보손 형식을 사용하는 것.
• 스레이브 보손을 위해 블룸-에머리-그리피스(BE) 모형을 구현하여 이소스핀 유사한 이중스핀으로 궤도 상태 점유도 변동을 기술하는 것.
• 평균장 이론을 사용하여 BE 모형을 해결하고, 연속적 및 비연속적 전이를 포함한 상전이를 분석하는 것.
• 도핑(매개변수 q) 및 효과적 온도(Teff)에 따른 전자 압축성을 계산하며, 쿼웨이프article 기여와 비구조적 배경 기여를 분리하는 것.
• 페르미온 쿼웨이프article과 보손 집단 장 사이의 피드백 메커니즘을 분석하여 음의 압축성이 어떻게 나타나는지 설명하는 것.
• q와 Teff에 따른 상도를 그려내어 안정적인 음의 압축성 영역과 상 공존 영역을 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 헌드 상호작용은 두 밴드 허버드 모형에서 n=2 근처에서 악성 금속 상태로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이 모형에서 음의 전자 압축성의 기원은 무엇이며, 열역학적 제약에도 불구하고 어떻게 안정화되는가?
• RQ3 쿼웨이프article과 비구조적 기여가 압축성에 어떻게 상호작용하여 음의 값을 만들어내는가?
• RQ4 음의 압축성 상태는 이질구조에서 안정화될 수 있으며, 용량 조절에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 페르미온 쿼웨이프particle과 보손 집단 장 사이의 피드백은 연속적 또는 비연속적 전이를 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 음의 전자 압축성은 쿼웨이프particle 무게 z2(n)와 집단 보손 장 사이의 미세한 상호작용에 의해 발생하며, 단지 쿼웨이프particle 억제 때문만은 아니다.
• 시스템은 n=2 근처의 유한한 도핑 범위에서 페르미온 쿼웨이프particle과 보손 이중스핀 사이의 피드백 메커니즘에 의해 음의 압축성이 발생한다.
• BEG 모형 접근법을 통해 시스템은 연속적 및 비연속적 전이를 모두 보이며, 상도에 비연속점(CE)과 임계점(CP)이 존재한다.
• 강한 상관관계를 가진 평면의 이질구조에서 안정적인 음의 압축성이 가능하며, 이는 소규모 전자 밀도 변화로 큰 조절 가능한 용량을 가능하게 한다.
• 모트 절연체에서 금속 상태로의 저항성 스위칭은 서로 다른 용량 값 간의 가역적 전이를 가능하게 하여 장치 수준의 조절 가능성을 제공한다.
• 효과적 온도 Teff와 도핑 매개변수 q는 압축성 상태의 안정성을 결정하며, 높은 q(즉, n=2 근처)일 경우 시스템은 종종 평형 상태가 아닌 상태에 있다.