[论文解读] Doped Orthogonal Metals Become Fermi Arcs

Chuang Chen, Tian Yuan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

该论文通过无偏量子蒙特卡罗模拟表明，掺杂正交半金属态会诱导出现费米弧——这些是违反Luttinger求和规则但不破却对称性的拓扑费米面片段。费米弧与一种禁闭的Z2规范场共存，相图揭示了通过调节掺杂浓度或调控规范场禁闭，系统可发生相变，分别进入禁闭和非禁闭的费米液体相。

ABSTRACT

Orthogonal metal and semi-metal are recently discovered unconventional metallic states originated from strongly correlated lattice models. They are orthogonal to the established paradigm of Landau's Fermi-liquid (FL) in the sense that they acquire no Fermi surface (FS) but still conduct electronically and respond magnetically, and are therefore expected to hold the key of understanding experimental observations of non-Fermi-liquids - ranging from high-temperature superconductors to twisted graphene heterostructures. Here, we go a step further by doping the orthogonal semi-metal state in the lattice model, and unveal via unbiased quantum Monte Carlo simulation that the doped orthogonal semi-metal becomes Fermi arcs that go completely beyond the Luttinger sum-rule with broken FS but no symmetry breaking. The Fermi arcs coexist with a background of deconfined Z2 gauge field, and we find the confinement transition as well as the hopping of the gauge-neutral composite fermion will bring the 'large' FS back upon approaching a FL phase. The entire phase diamgram that contains Fermi arc metal, deconfined FL and confined FL are mapped out in unbiased manner.

研究动机与目标

• 研究掺杂正交半金属态的电子响应，这类状态是超出朗道费米液体范式的非传统金属相。
• 理解在无传统费米面且无对称性破缺的情况下费米弧如何形成。
• 绘制包括费米弧金属、非禁闭费米液体和禁闭费米液体相在内的完整相图。
• 探讨Z2规范场及其禁闭相变在塑造低能电子结构中的作用。

提出的方法

• 采用无偏量子蒙特卡罗模拟研究正交半金属的强关联格点模型。
• 在正交半金属态中引入空穴掺杂，以探测费米弧的出现。
• 通过动量空间谱函数分析系统的响应，识别费米弧特征。
• 通过规范不变可观测量追踪Z2规范场及其禁闭相变的行为。
• 利用复合费米子图像解释规范中性准粒子的跃迁行为。
• 通过调节掺杂浓度和规范场禁闭参数，绘制完整的相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 掺杂正交半金属如何导致违反Luttinger求和规则的费米弧形成？
• RQ2 非禁闭的Z2规范场在稳定费米弧相中起什么作用？
• RQ3 Z2规范场的禁闭相变如何影响传统费米面的出现？
• RQ4 费米弧金属与费米液体相之间的相变本质是什么？
• RQ5 当接近费米液体相时，规范中性复合费米子的跃迁能否恢复大费米面？

主要发现

• 掺杂正交半金属会产生不连通且不满足Luttinger求和规则的费米弧，表明传统费米液体理论预期的破缺。
• 费米弧与非禁闭的Z2规范场共存，该规范场在低能下保持无能隙且未发生禁闭。
• 当系统向费米液体相调节时，Z2规范场经历禁闭相变，导致大而连通的费米面恢复。
• 复合费米子通过规范场相干跃迁，为费米面的重构提供了机制。
• 通过无偏方式绘制了完整的相图，揭示了三个不同相：费米弧金属、非禁闭费米液体和禁闭费米液体。
• 非禁闭与禁闭费米液体相之间的相变为连续相变，由规范场禁闭能标驱动。