[논문 리뷰] Emergent flat band and topological Kondo semimetal driven by orbital-selective correlations

Lei Chen, Fang Xie외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 15.

Advanced Materials Characterization Techniques참고 문헌 53인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 궤도 선택적 모트 물리학을 갖는 d-전자 시스템에서 전자 상관관계가 편재 에너지 근처 정확히 평탄한 밴드를 생성할 수 있음을 보여준다. 이는 위상적 코니드 반도체 상으로 이어진다. C₃ 대칭이 깨진 클로버 격자에 적용된 허버드 모형을 통해 저자들은 강한 상관관계와 격자 대칭성이 편재 에너지 근처 위상적으로 비자명한 평탄한 밴드를 안정화시킴으로써 전이 금속 화합물에서 새로운 상관관계가 있는 위상적 양자 상태를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Flat electronic bands are expected to show proportionally enhanced electron correlations, which may generate a plethora of novel quantum phases and unusual low-energy excitations. They are increasingly being pursued in $d$-electron-based systems with crystalline lattices that feature destructive electronic interference, where they are often topological. Such flat bands, though, are generically located far away from the Fermi energy, which limits their capacity to partake in the low-energy physics. Here we show that electron correlations produce emergent flat bands that are pinned to the Fermi energy. We demonstrate this effect within a Hubbard model, in the regime described by Wannier orbitals where an effective Kondo description arises through orbital-selective Mott correlations. Moreover, the correlation effect cooperates with symmetry constraints to produce a topological Kondo semimetal. Our results motivate a novel design principle for Weyl Kondo semimetals in a new setting, viz. $d$-electron-based materials on suitable crystal lattices, and uncover interconnections among seemingly disparate systems that may inspire fresh understandings and realizations of correlated topological effects in quantum materials and beyond.

연구 동기 및 목표

• 전자 상관관계가 처음에는 편재 에너지에서 멀리 떨어져 있던 위상적으로 비자명한 평탄한 밴드를 저에너지 영역으로 이동시킬 수 있는가를 조사하는 것.
• d-전자 시스템에서 궤도 선택적 모트 물리학과 위상적 밴드 구조 간의 상호작용을 탐색하는 것.
• 조절 매개변수에 의존하지 않고 위상적 코니드 반도체를 실현하는 데 새로운 메커니즘을 확립하는 것.
• 대칭 제약 조건과 강한 상관관계가 함께 위상적 코니드 반도체 상을 안정화시키는지 보여주는 것.

제안 방법

• 위상적 평탄한 밴드를 간섭에 의한 소거 효과로 유지하는 2D 클로버 격자에 대해 대칭성이 감소한 두 오비탈 허버드 모형을 수립한다 (반사 대칭 Mₓ만 유지).
• 강한 상관관계를 다루기 위해 U(1) 슬레이브 스피너 방법을 적용하며, 국소화된 자유도를 갖는 무거운 d-오비탈에 집중한다.
• 슬레이브 스피너의 사다리형 분리법을 사용하여 쿼아파article 무게 Z와 혼합 매개변수에 대한 자기일관성 방정식을 유도한다.
• 슬레이브 스피너 및 보조 페르미온 전파함수의 콘볼루션을 통해 전체 그린 함수를 계산하고 스펙트럼 함수를 도출한다.
• 쿼아파article 무게 Z와 스펙트럼 무게 분석을 통해 편재 에너지에서 평탄한 밴드의 출현을 확인한다.
• 대칭 보호성(Mₓ)과 위상적 불변량 분석을 통해 위상적 코니드 반도체 상임을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 d-전자 시스템에서의 전자 상관관계는 초기에 편재 에너지에서 훨씬 아래에 위치한 평탄한 밴드를 편재 에너지에 고정시킬 수 있는가?
• RQ2 초기에는 비퇴적 상태인 밴드를 갖는 시스템에서 궤도 선택적 모트 물리학은 편재 에너지 근처에 평탄한 밴드가 어떻게 나타나는가를 매개하는가?
• RQ3 격자 대칭성(예: 반사 대칭)은 위상적 코니드 반도체 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 강한 상관관계와 위상성이 결합하여 기존의 코니드 반도체와는 다를 만한 새로운 양자 상을 이끌 수 있는가?
• RQ5 분자 워너일 오비탈은 간섭에 의한 소거 효과가 있는 시스템에서 위상적으로 비자명한 평탄한 밴드를 어떻게 표현하는가?

주요 결과

• 허버드 모형에서 궤도 선택적 모트 상관관계는 비상호작용 평탄한 밴드가 깊이 아래에 위치해 있더라도 편재 에너지 정확히 근처에 평탄한 밴드가 나타나게 한다.
• 생성된 평탄한 밴드는 위상적으로 비자명하며 반사 대칭 Mₓ에 의해 보호되어 위상적 코니드 반도체 상을 형성한다.
• 쿼아파article 무게 Z는 편재 에너지에서 유한하게 유지되어 평탄한 밴드 근처에 강한 중합체 상태를 형성하는 무거운 페르미 액체 상태가 존재함을 나타낸다.
• 스펙트럼 함수는 편재 에너지에서 분산이 거의 없는 날카운 피크를 보여주며 생성된 밴드의 평탄함을 확인한다.
• 비자명한 찰스 수와 보호된 표면 상태의 존재를 통해 상의 위상적 성격이 확인된다.
• 이 메커니즘은 적절한 격자에서 d-전자 기반 물질에서 와일 Kondo 반도체를 실현하는 데 새로운 설계 원칙을 제공한다.