[论文解读] Electronic Structure of Pyrochlore Iridates: From Topological Dirac Metal to Mott Insulator

Xiangang Wan, Ari M. Turner+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2010

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1,823

一句话总结

该论文提出，在中等电子关联强度下，Y₂Ir₂O₇ 是一种拓扑狄拉克金属，其由于自旋-轨道耦合和非共线的全入/全出磁序而出现具有线性色散关系的狄拉克节点和费米弧。在强关联下，系统转变为莫特绝缘体，而在弱关联下则为磁性金属；在中间关联区域，也可能存在一个θ=π的轴子绝缘体窄窗。

ABSTRACT

In 5d transition metal oxides such as the iridates, novel properties arise from the interplay of electron correlations and spin-orbit interactions. We investigate the electronic structure of the pyrochlore iridates, (such as Y$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$) using density functional theory, LDA+U method, and effective low energy models. A remarkably rich phase diagram emerges on tuning the correlation strength U. The Ir magnetic moment are always found to be non-collinearly ordered. However, the ground state changes from a magnetic metal at weak U, to a Mott insulator at large U. Most interestingly, the intermediate U regime is found to be a Dirac semi-metal, with vanishing density of states at the Fermi energy. It also exhibits topological properties - manifested by special surface states in the form of Fermi arcs, that connect the bulk Dirac points. This Dirac phase, a three dimensional analog of graphene, is proposed as the ground state of Y$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ and related compounds. A narrow window of magnetic `axion' insulator, with axion parameter $θ=π$, may also be present at intermediate U. An applied magnetic field induces ferromagnetic order and a metallic ground state.

研究动机与目标

• 理解不同电子关联强度下尖晶石型铱氧化物（A₂Ir₂O₇）的电子相图。
• 确定自旋-轨道耦合与磁序在稳定拓扑电子态中的作用。
• 将实验观测结果（如金属-绝缘体转变和磁有序）统一到一个电子结构框架中。
• 研究在关联5d铱氧化物中，如拓扑狄拉克金属和轴子绝缘体（θ=π）等奇异相的出现机制。
• 解释 Y₂Ir₂O₇ 及相关化合物中净磁矩缺失但非共线磁序仍能持续存在的原因。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）结合 LDA+U 方法，以考虑尖晶石型铱氧化物中的电子关联效应。
• 使用有效低能哈密顿量，对动量空间中 L 点附近的电子结构进行建模。
• 构建了 k 依赖的哈密顿量 H(k) = (Δ + k_z²/2m₁ - k_⊥²/2m₂)τ_z + (βk_z + k_⊥³cos3θ)τ_x + k_⊥³sin3θτ_y，以描述狄拉克节点。
• 通过求解有效哈密顿量中的 A=B=C=0 条件，分析狄拉克节点的形成条件，确定特定 k_z 和 θ 值下的节点位置。
• 评估有效质量参数 α 的作用，表明当 α<0（对 Y₂Ir₂O₇ 具有物理意义）时，狄拉克节点仅在小 U 区域稳定。
• 通过计算拓扑不变量和轴子参数 θ，评估 θ=π 轴子绝缘体相的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同电子关联强度下，Y₂Ir₂O₇ 的电子基态性质是什么？
• RQ2 自旋-轨道耦合如何与电子关联相互作用，以在 5d 铱氧化物中稳定拓扑狄拉克费米子？
• RQ3 A₂Ir₂O₇ 中观测到的金属-绝缘体转变是否可由狄拉克半金属到莫特绝缘体的关联调控相变来解释？
• RQ4 非共线的全入/全出磁序在保持反演对称性并实现拓扑表面态中起什么作用？
• RQ5 是否存在一个由反演对称性和中等关联稳定、且 θ=π 的拓扑轴子绝缘体相的窄窗？

主要发现

• 在中等 U 条件下，Y₂Ir₂O₇ 的基态为拓扑狄拉克金属，其在 L 点处具有六个狄拉克节点，形成线性色散关系的能带结构。
• 狄拉克费米子为两分量且具有手性，导致表面态形成连接体相狄拉克点的费米弧。
• 系统在费米能级处的态密度趋于零，与低温下绝缘性电阻行为一致。
• 在强 U 条件下，系统转变为具有全入/全出非共线磁序的莫特绝缘体。
• 在中等 U 区域，可能存在一个 θ=π 的轴子绝缘体相窄窗，其受反演对称性保护，尽管 LDA+U 方法低估了能隙。
• 具有 α<0（具有物理意义）的有效哈密顿量显示，狄拉克节点仅在小 U 相区稳定，且在 Δ=0 时能隙闭合，表明发生了拓扑相变。