[論文レビュー] Topological semimetals without quasiparticles

Haoyu Hu, Lei Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、強い電子相関が存在する系において、励起状態が準粒子でない場合に、格子対称性を活用して相関効果に起因する有効励起状態を制約することにより、準粒子を伴わないトポロジカル半金属を実現するフレームワークを提案する。カグラム格子上の二チャネル周期的アンダーセンモデルを用いて、べき乗則に従うスペクトル関数、保護されたディラックノード、および量子化されたバルクホール伝導度を示す非フェルミ液体的トポロジカル相の存在を示し、自由電子モデルを超えたトポロジカル状態の実現ルートを提示する。

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.

研究の動機と目的

• 強い相関が存在するため準粒子の記述を持たないトポロジカル半金属の理論的枠組みを確立すること。
• 格子対称性が準粒子でない励起状態を制約し、頑健なトポロジカル相を生成できることを示すこと。
• 相関電子系において、顕れたディラックノードと量子化された輸送応答を示す非フェルミ液体的トポロジカル半金属を同定すること。
• このような相を示す候補材料を予測するモデルを提供すること、具体的には PrFe₄P₁₂ と UPt₃Au₂ を含む。

提案手法

• 励起状態が準粒子ではない場合でも、グリーン関数固有ベクトルに空間群対称性の制約を課す形式的枠組み。
• 強い電子相関とコンドンスクリーニングをモデル化するため、二つの伝導チャネルを有する周期的アンダーセンモデルの使用。
• ダイナミカル・メトロド理論（DMFT）および数値結合化群（NRG）技術を用いて、自己エネルギーおよびスペクトル関数の数値的解法。
• スペクトル関数および自己エネルギーの解析により、非フェルミ液体的挙動を示すべき乗則的依存性を同定。
• バルクおよびスピンホール伝導度の計算によりトポロジカル性を評価し、エッジ状態の解析によって表面状態の存在を確認。
• 実験的抵抗率および比熱データとの比較を通じて候補材料の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い相関により準粒子が存在しない状況下でも、格子対称性がトポロジカル半金属を安定化させ得るか？
• RQ2 相関系における非フェルミ液体的トポロジカル相のスペクトル的および輸送的特徴は何か？
• RQ3 準粒子が存在しない状況下で、空間群対称性が顕れた励起状態の分散および degeneracy をどのように制約するか？
• RQ4 非フェルミ液体的トポロジカル半金属は、自由電子的トポロジカル状態に断続的に接続可能か？
• RQ5 どの現実の材料がこのような相を実現する有望な候補か？

主な発見

• 3次元および2次元カグラム格子モデルにおける顕れた励起状態のスペクトル関数は、周波数の2桁にわたって ω⁻¹/² のべき乗則的依存性を示し、非フェルミ液体的挙動を示している。
• 自己エネルギーは、虚部が √|ω| に比例する極を示し、準粒子記述の破綻が確認され、非フェルミ液体物理学と整合的である。
• 2次元カグラムモデルでは、フェルミエネルギー付近にディラックノードが出現し、二つの異なるモードからのスペクトルピークが保護された点で交差しており、EF近傍のバンド再構成によって裏付けられている。
• 電気抵抗率およびバルクホール伝導度の両方が低温で √T に比例するスケーリングを示し、非フェルミ液体的挙動の特徴的兆候である。
• 3次元カグラムモデルでは、バルク内への指数的減衰を示すエッジ状態が観測され、トポロジカル的に保護された表面モードの存在が確認された。
• PrFe₄P₁₂ および UPt₃Au₂ が候補材料として同定された：PrFe₄P₁₂ は重いフェルミオン的挙動を示し、磁場下で抵抗率が抑制されるのに対し、UPt₃Au₂ は大きな抵抗率と弱い温度依存性を示し、非金属的かつ相関性の高い状態と整合的である。