[論文レビュー] Doped Orthogonal Metals Become Fermi Arcs

Chuang Chen, Tian Yuan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、偏りのない量子モンテカルロシミュレーションを用いて、直交半金属状態にドーピングを施すと、Luttingerの和則を破るが対称性を破らないトポロジカルなフェルミ面の断片（フェルミアーク）が出現することを示している。アークは脱コンfinementしたZ2ゲージ場と共存しており、ドーピングやゲージ場のコンfinementを調整することで、脱コンフィンメントおよびコンフィンメントしたフェルミ液体相への遷移が観測される。

ABSTRACT

Orthogonal metal and semi-metal are recently discovered unconventional metallic states originated from strongly correlated lattice models. They are orthogonal to the established paradigm of Landau's Fermi-liquid (FL) in the sense that they acquire no Fermi surface (FS) but still conduct electronically and respond magnetically, and are therefore expected to hold the key of understanding experimental observations of non-Fermi-liquids - ranging from high-temperature superconductors to twisted graphene heterostructures. Here, we go a step further by doping the orthogonal semi-metal state in the lattice model, and unveal via unbiased quantum Monte Carlo simulation that the doped orthogonal semi-metal becomes Fermi arcs that go completely beyond the Luttinger sum-rule with broken FS but no symmetry breaking. The Fermi arcs coexist with a background of deconfined Z2 gauge field, and we find the confinement transition as well as the hopping of the gauge-neutral composite fermion will bring the 'large' FS back upon approaching a FL phase. The entire phase diamgram that contains Fermi arc metal, deconfined FL and confined FL are mapped out in unbiased manner.

研究の動機と目的

• ドーピングされた直交半金属状態の電子的応答を調査し、これはランダウのフェルミ液体理論の枠組み外の非代替的金属相である。
• 対称性の破れなしにフェルミアークがどのように生成されるかを理解すること。
• フェルミアーク金属、脱コンフィンメントフェルミ液体、コンフィンメントフェルミ液体相を含む、完全な相図をマッピングすること。
• Z2ゲージ場の役割とそのコンフィンメント遷移が低エネルギー電子構造に与える影響を調査すること。

提案手法

• 偏りのない量子モンテカルロシミュレーションを用いて、直交半金属の強い電子相関系の格子模型を研究する。
• 直交半金属状態に穴ドーピングを導入し、フェルミアークの出現を調べる。
• 運動量空間におけるスペクトル関数を分析して、フェルミアークの特徴を同定する。
• ゲージ不変な観測量を用いて、Z2ゲージ場の振る舞いとそのコンフィンメント遷移を追跡する。
• 複合フェルミ粒子の像を用いて、ゲージ中性の準粒子の遷移を解釈する。
• ドーピングとゲージ場のコンフィンメントパラメータを変化させることで、完全な相図をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直交半金属にドーピングを施すと、なぜLuttingerの和則に反するフェルミアークが形成されるのか？
• RQ2 脱コンフィンメントしたZ2ゲージ場はフェルミアーク相の安定化にどのように寄与するのか？
• RQ3 Z2ゲージ場のコンフィンメント遷移は、通常のフェルミ面の出現にどのように影響するのか？
• RQ4 フェルミアーク金属とフェルミ液体相の間の相転移の性質は何か？
• RQ5 ゲージ中性の複合フェルミ粒子の hopping が、フェルミ液体相に近づく際に大きなフェルミ面を回復させ得るか？

主な発見

• 直交半金属にドーピングを施すと、フェルミアークが非連結であり、Luttingerの和則を満たさないことが判明し、これは従来のフェルミ液体理論の期待とは異なることを示している。
• フェルミアークは、ギャップを持たず低エネルギーでコンフィンメントしない脱コンフィンメントZ2ゲージ場と共存している。
• フェルミ液体相に近づけるように系を調整すると、Z2ゲージ場はコンフィンメント遷移を経て、大きな連結したフェルミ面が回復する。
• ゲージ場を介して一貫して hopping する複合フェルミ粒子の出現は、フェルミ面の再構築を可能にするメカニズムを提供する。
• 完全な相図が偏りのない方法でマッピングされ、フェルミアーク金属、脱コンフィンメントフェルミ液体、コンフィンメントフェルミ液体の明確な相が明らかになった。
• 脱コンフィンメントフェルミ液体相とコンフィンメントフェルミ液体相の間の遷移は連続的であり、ゲージ場のコンフィンメントスケールによって駆動される。