[论文解读] Correlated topological phases in 3D complex oxides via Green's functions

Ara Go, William Witczak‐Krempa+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用晶胞动力学平均场理论（CD-DMFT）研究了3D相关复杂氧化物中的相互作用拓扑相，特别是钙钛矿型铱酸盐，计算了磁电拓扑响应系数。通过结合体Response不变量与表面态分析，识别出在平均场处理中不存在的相互作用轴子绝缘体相，揭示了关联体系中受对称性保护的拓扑序。

ABSTRACT

Topological phases of quantum matter defy characterization by conventional order parameters but can exhibit quantized electro-magnetic response and/or protected surface states. We examine such phenomena in a model for three-dimensional correlated complex oxides, the pyrochlore iridates. The model realizes interacting topological insulators with and without time-reversal symmetry, and topological Weyl semimetals. We use cellular dynamical mean field theory, a method that incorporates quantum-many-body effects and allows us to evaluate the magneto-electric topological response coefficient in correlated systems. This invariant is used to unravel the presence of an interacting axion insulator absent within a simple mean field study. We corroborate our bulk results by studying the evolution of the topological boundary states in the presence of interactions. Consequences for experiments and for the search for correlated materials with symmetry-protected topological order are given.

研究动机与目标

• 理解电子关联如何驱动3D复杂氧化物（如钙钛矿型铱酸盐）中的拓扑相。
• 在关联体系中识别相互作用拓扑绝缘体和外尔半金属等拓扑态。
• 确定对称性保护的拓扑序（包括轴子绝缘体相）是否在平均场近似之外出现。
• 建立体拓扑不变量与电子关联下表面态行为之间的联系。

提出的方法

• 采用晶胞动力学平均场理论（CD-DMFT）处理钙钛矿型铱酸盐3D晶格模型中的强电子关联。
• 将磁电拓扑响应系数作为体不变量计算，以检测轴子绝缘体行为。
• 利用拓扑不变量在相互作用存在下区分 trivial 与非平凡拓扑相。
• 分析电子关联下拓扑表面态的演化，以佐证体相结果。
• 结合量子多体技术与拓扑不变量，研究关联材料中对称性保护的拓扑序。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子关联是否能稳定3D复杂氧化物中的拓扑相，如相互作用拓扑绝缘体和外尔半金属？
• RQ2 轴子绝缘体相是否在关联体系中出现，且是否可在平均场理论之外被探测到？
• RQ3 当引入电子关联时，拓扑表面态如何演化？
• RQ4 磁电拓扑响应系数在识别关联材料中非平凡拓扑序方面起什么作用？

主要发现

• 磁电拓扑响应系数揭示了相互作用轴子绝缘体相的存在，该相在简单平均场处理中缺失。
• 本研究在钙钛矿型铱酸盐模型中识别出时间反演对称与时间反演破缺的相互作用拓扑绝缘体。
• 关联体系中实现了拓扑外尔半金属相，表明存在费米弧表面态。
• 表面态分析证实了电子关联下拓扑边界模的鲁棒性，支持了体相拓扑不变量。