[論文レビュー] Dirac-Kondo semimetals and topological Kondo insulators in the dilute carrier limit

Xiao-Yong Feng, Hanting Zhong+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、伝導帯がほぼ空の状態にある軽いフェルミオン系における希薄なキャリア極限下で、新しいクラスのコンドン絶縁体—トポロジカルコンドン絶縁体（TKI）およびディラック・コンドン半金属（DKSM）—を提案する。強い電子相関とスピン軌道結合を有するヘキサゴナルアンダーソン格子モデルを用いて、スピン軌道結合が混合された重フェルミオンバンドにトポロジカルギャップを開くことを示し、DKSMがZ2トポロジカルコンドン絶縁体に変化することを明らかにした。これにより、半フィルイングでない状態からも相関のあるトポロジカル状態を実現する新たな道筋が確立された。

ABSTRACT

Heavy fermion systems contain not only strong electron correlations, which promote a rich set of quantum phases, but also a large spin-orbit coupling, which tends to endow the electronic states a topological character. Kondo insulators are understood in terms of a lattice of local moments coupled to conduction electrons in a half-filled band, i.e., with a dense population of about one electron per unit cell. Here, we propose that a new class of Kondo insulator arises when the conduction-electron band is nearly empty ( or, equivalently, full ) . We demonstrated the effect through a honeycomb Anderson lattice model. In the empty carrier limit, spin-orbit coupling produces a gap in the hybridized heavy fermion band, thereby generating a topological Kondo insulator. This state can be understood in terms of a nearby phase in the overall phase diagram, a Dirac-Kondo semimetal whose quasiparticle excitations exhibit a non-trivial Berry phase. Our results point to the dilute carrier limit of the heavy-fermion systems as a new setting to study strongly correlated insulating and topological states.

研究の動機と目的

• 伝導帯がほぼ空または満タンである希薄なキャリア極限下における重フェルミオン系における強い相関トポロジカル相の出現を探索すること。
• コンドン効果、強い電子相関、およびスピン軌道結合の相乗効果が新しい量子相を生成する仕組みを調査すること。
• スピン軌道結合によって生じる新しいトポロジカルコンドン絶縁体相を特定・特徴づけること。これは、従来のKIまたはTI相とは異なり、ディラック・コンドン半金属から生まれるものである。
• 半フィルイングでない状態、すなわち希薄キャリア領域におけるトポロジカルコンドン絶縁体の実現を理論的枠組みで確立すること。

提案手法

• 局所的なf電子モーメントと伝導電子を含むヘキサゴナルアンダーソン格子モデルを定式化し、強いクーロン反発（U）およびコンドン結合（J_K）を組み込む。
• 希薄キャリア極限における相図を調査するため、動的平均場理論（DMFT）および数値フェルミオン還元法（NRG）を用いる。
• スピン軌道結合（SOC）を主要な調整パラメータとして導入し、混合された重フェルミオンバンドにトポロジカルギャップを誘導する。
• ディラック点近傍の準粒子励起状態を分析し、非自明なベリー位相およびディラックフェルミオンの振る舞いを同定する。
• スピン軌道結合の強さおよび化学ポテンシャルの関数として、ディラック・コンドン半金属からトポロジカルコンドン絶縁体への相転移をマッピングする。
• モット絶縁体とバンド絶縁体のヘテロ構造を用いたプロキシミティ効果に基づく実験的実現手法を提案し、DKSMおよびTKI相を界面で生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 伝導帯がほぼ空である重フェルミオン系の希薄キャリア極限下で、トポロジカルコンドン絶縁体相が出現するか？
• RQ2 伝導帯がほぼ空である状態で、スピン軌道結合がコンドン混合バンドにトポロジカルギャップを安定化させる役割を果たすか？
• RQ3 線形ディラック分散および非自明なベリー位相を特徴とするディラック・コンドン半金属相が、スピン軌道結合を導入することでどのようにトポロジカルコンドン絶縁体に進化するか？
• RQ4 半フィルイングでない状態におけるトポロジカルコンドン絶縁体相は、半フィルイングで形成される従来のコンドン絶縁体やトポロジカル絶縁体相とは区別できるか？
• RQ5 モット絶縁体とバンド絶縁体のヘテロ構造を用いたプロキシミティ効果により、DKSMおよびTKI相を実験的に実現可能か？

主な発見

• スピン軌道結合が存在しない希薄キャリア極限下では、線形ディラック型準粒子分散および非自明なベリー位相を特徴とするディラック・コンドン半金属（DKSM）相が出現する。
• スピン軌道結合を導入すると、DKSM相はトポロジカル量子相転移を経て、バルクギャップと金属的表面状態を有するZ2トポロジカルコンドン絶縁体（TKI）に転移する。
• 強い電子相関、コンドンスクリーニング、およびスピン軌道結合の相乗効果により、半フィルイングがなくてもTKI相が安定化する。
• DKSMにおける低エネルギー準粒子は、運動量の二次補正に起因する有限なサイクロトロン質量を示し、強い相関性を示す重フェルミオン的性質を示す。
• トポロジカルコンドン絶縁体相は、半フィルイングで形成される従来のKIまたはトポロジカル絶縁体相とは異なり、バンド絶縁体ではなく、半金属的母相から生じる点で特徴づけられる。
• モット絶縁体（局所的スピンモーメントを供給）とバンド絶縁体（バンド端付近の化学ポテンシャルを有する）のヘテロ構造は、プロキシミティ効果によりDKSMおよびTKI相を誘発でき、実験的実現に向けた有効なルートを提供する。