[论文解读] Dirac-Kondo semimetals and topological Kondo insulators in the dilute carrier limit

Xiao-Yong Feng, Hanting Zhong+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 8被引用 10

一句话总结

本文在轻载流子极限下（导带几乎空置）的重费米子体系中，提出了一类新型Kondo绝缘体——拓扑Kondo绝缘体（TKIs）与狄拉克-Kondo半金属（DKSMs）。通过具有强电子关联与自旋轨道耦合的蜂窝状安德森晶格模型，研究证明自旋轨道耦合在杂化重费米子能带中打开拓扑能隙，使DKSM转变为Z2-拓扑Kondo绝缘体，从而建立了一条超越半满填充的关联拓扑态的新途径。

ABSTRACT

Heavy fermion systems contain not only strong electron correlations, which promote a rich set of quantum phases, but also a large spin-orbit coupling, which tends to endow the electronic states a topological character. Kondo insulators are understood in terms of a lattice of local moments coupled to conduction electrons in a half-filled band, i.e., with a dense population of about one electron per unit cell. Here, we propose that a new class of Kondo insulator arises when the conduction-electron band is nearly empty ( or, equivalently, full ) . We demonstrated the effect through a honeycomb Anderson lattice model. In the empty carrier limit, spin-orbit coupling produces a gap in the hybridized heavy fermion band, thereby generating a topological Kondo insulator. This state can be understood in terms of a nearby phase in the overall phase diagram, a Dirac-Kondo semimetal whose quasiparticle excitations exhibit a non-trivial Berry phase. Our results point to the dilute carrier limit of the heavy-fermion systems as a new setting to study strongly correlated insulating and topological states.

研究动机与目标

• 探索在导带几乎空置或满填的轻载流子极限下，重费米子体系中强关联拓扑相的出现。
• 研究Kondo效应、强电子关联与自旋轨道耦合之间的相互作用，以揭示新型量子相的生成机制。
• 识别并表征一种源于狄拉克-Kondo半金属并通过自旋轨道耦合形成的新型拓扑Kondo绝缘体相，该相与传统KI或TI相有本质区别。
• 建立一个理论框架，实现非半满填充的拓扑Kondo绝缘体，而是从轻载流子区的半金属母相出发。

提出的方法

• 构建一个包含局域f电子磁矩与导带电子的蜂窝状安德森晶格模型，引入强库仑排斥作用（U）与Kondo耦合（J_K）。
• 采用动力学平均场理论（DMFT）与数值重整化群（NRG）技术，研究在轻载流子极限下的相图。
• 将自旋轨道耦合（SOC）作为关键调控参数，诱导杂化重费米子能带中的拓扑能隙。
• 分析狄拉克点附近的准粒子激发，以识别非平凡贝里相与狄拉克费米子行为。
• 绘制自旋轨道耦合强度与化学势依赖的狄拉克-Kondo半金属向拓扑Kondo绝缘体的相变图。
• 提出一种异质结构工程方法，通过Mott绝缘体与能带绝缘体在界面处的近邻效应，实现DKSM与TKI相。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重费米子体系的轻载流子极限下（导带几乎空置），是否能出现拓扑Kondo绝缘体相？
• RQ2 当导带几乎空置时，自旋轨道耦合在Kondo杂化能带中稳定拓扑能隙方面起到何种作用？
• RQ3 具有线性狄拉克色散与非平凡贝里相的狄拉克-Kondo半金属相，在引入自旋轨道耦合后，如何演化为拓扑Kondo绝缘体？
• RQ4 在轻载流子极限下形成的拓扑Kondo绝缘体相，是否与半满填充时形成的传统Kondo绝缘体有本质区别？
• RQ5 通过Mott绝缘体与能带绝缘体之间的异质结构工程，能否在实验上实现DKSM与TKI相？

主要发现

• 当无自旋轨道耦合时，在轻载流子极限下会形成狄拉克-Kondo半金属（DKSM）相，其特征为线性狄拉克型准粒子色散关系与非平凡贝里相。
• 引入自旋轨道耦合后，DKSM相经历一次拓扑量子相变，转变为具有体能隙与金属表面态的Z2-拓扑Kondo绝缘体（TKI）。
• TKI相由强电子关联、Kondo屏蔽效应与自旋轨道耦合的协同作用稳定，即使在非半满填充条件下亦可实现。
• DKSM中低能准粒子表现出具有有限朗道质量的重费米子行为，其动量空间中存在二次修正项，表明强关联效应显著。
• 该拓扑Kondo绝缘体相与半满填充时形成的传统KI或拓扑绝缘体相有本质不同，因其源于半金属母相而非能带绝缘体。
• 由Mott绝缘体（提供局域磁矩）与能带绝缘体（化学势靠近能带边）构成的异质结构，可通过近邻效应诱导出DKSM与TKI相，为实验实现提供了切实可行的路径。