[论文解读] Bulk Fermi arc of disordered Dirac fermions in two dimensions

Michał Papaj, Hiroki Isobe+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本文展示了在二维无序狄拉克费米子系统中，当轨道之间无对称性关联时，无序会诱导出体相费米弧，取代洁净极限下的狄拉克点。通过引入一种具有轨道依赖性无序的新型无序狄拉克模型，研究揭示了一种新的强无序相，其中由于轨道间散射的非对称性，费米弧得以形成。

ABSTRACT

We show that disordered Dirac fermion systems in two dimensions generally exhibit bulk Fermi arc replacing the Dirac point in the clean limit, provided that the Dirac fermion arises from two distinct orbitals unrelated by symmetry. This result is explicitly demonstrated in a disordered Dirac model that we introduce, where the disorder potential acts differently on the two orbitals and drives the system into a new strongly disordered phase.

研究动机与目标

• 研究在两个轨道之间无对称性关联的二维狄拉克费米子系统中，无序的影响。
• 确定并阐明无序是否以及如何在这些系统中以体相费米弧取代狄拉克点。
• 构建并分析一种具有轨道特异性无序势的新型无序狄拉克模型，以探索新量子相的出现。

提出的方法

• 引入一种双轨道狄拉克费米子哈密顿量，其中每个轨道具有独立的跃迁和无序项。
• 施加一种对两个轨道作用不同的无序势，打破它们之间的对称性。
• 使用数值和解析技术研究无序存在下的电子能谱和局域化性质。
• 通过分析态密度和局域化长度，识别出形成体相费米弧的扩展态。
• 将无序系统的特性与洁净极限下的行为进行比较，确认狄拉克点被费米弧取代。
• 证明费米弧在强无序相中具有鲁棒性，这是由于轨道选择性散射所致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在轨道非对称的二维狄拉克费米子系统中，无序是否会导致体相费米弧的形成？
• RQ2 轨道选择性无序与对称无序相比，如何改变电子能谱？
• RQ3 由非对称无序稳定的新量子相的本质是什么？
• RQ4 费米弧是否可理解为轨道间局域化和散射各向异性的结果？
• RQ5 在强无序极限下，体相费米弧是否稳定且具有鲁棒性？

主要发现

• 具有轨道选择性势的无序导致二维狄拉克费米子系统中狄拉克点被体相费米弧取代。
• 费米弧的出现是由于两个无对称性关联的轨道之间发生非对称散射的结果。
• 该系统进入一种新的强无序相，其特征为体相能谱中形成费米弧的扩展态。
• 费米弧具有鲁棒性，在强无序下依然存在，表明其可能具有拓扑保护或局域化各向异性。
• 轨道之间缺乏对称性是费米弧出现的必要条件，因为对称无序不会产生此效应。
• 本研究提供了一个最小模型，表明体相费米弧可完全由无序引起，而无需内在的拓扑序。