[论文解读] Bad metal and negative compressibility transitions in a two-band Hubbard model

Raymond Frésard, Kevin Steffen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 74被引用 6

一句话总结

本文通过规范子玻色子方法研究了在n=2整数填充附近、具有有限洪特定律耦合的双带 Hubbard 模型中的负电子压缩性和不良金属转变。研究发现，压缩性由准粒子与集体玻色场之间的微妙相互作用所主导，反馈机制使得异质结构中能够实现稳定的负压缩性，从而通过微小的密度或电压变化实现可调谐、高电容器件。

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.

研究动机与目标

• 理解在有限洪特定律耦合下，双带 Hubbard 模型在n=2附近出现负电子压缩性的机制。
• 研究准粒子激发与集体玻色自由度之间的相互作用如何驱动压缩性不稳定性。
• 探讨在强关联材料异质结构中实现稳定负压缩性态的可行性。
• 展示通过电子密度调控或电阻开关可实现此类系统中大范围、可逆的电容变化。

提出的方法

• 采用规范子玻色子形式化方法，将双带 Hubbard 模型中的费米子与玻色自由度解耦。
• 为规范子玻色子实施 Blume-Emery-Griffiths (BEG) 模型，将其映射为自旋-1/2 类赝自旋，以描述轨道占据涨落。
• 利用平均场理论求解 BEG 模型并分析相变，包括连续与不连续相变。
• 计算电子压缩性作为掺杂（通过参数q）和有效温度（Teff）的函数，分离准粒子与非相干背景的贡献。
• 分析费米子准粒子与玻色子集体场之间的反馈机制，以解释负压缩性的出现。
• 在q与Teff参数空间中绘制相图，以识别稳定负压缩性区域及相共存区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限洪特定律耦合如何影响双带 Hubbard 模型在n=2附近的不良金属态转变？
• RQ2 该模型中负电子压缩性的起源是什么？尽管存在热力学约束，其稳定性机制如何？
• RQ3 准粒子与非相干贡献如何相互作用，导致压缩性出现负值？
• RQ4 负压缩性态是否可在异质结构中稳定存在？其对电容调控有何影响？
• RQ5 费米子准粒子与玻色子集体场之间的反馈在实现连续或不连续相变中起什么作用？

主要发现

• 负电子压缩性源于准粒子权重z2(n)与集体玻色场之间微妙的相互作用，而不仅仅是准粒子抑制的结果。
• 在n=2附近存在有限的掺杂范围内，压缩性变为负值，其驱动力是费米子准粒子与玻色子赝自旋之间的反馈机制。
• BEG 模型方法揭示，系统表现出连续与不连续相变，相图中存在临界端点（CE）与临界点（CP）。
• 在强关联平面异质结构中，稳定负压缩性是可能的，从而可通过微小电子密度变化实现大范围、可调谐电容。
• 从莫特绝缘体到金属态的电阻开关可实现不同电容值之间的可逆转换，实现器件级电容可调性。
• 有效温度Teff与掺杂参数q决定了压缩性状态的稳定性，当q较高（接近n=2）时，系统通常处于非平衡态。