[论文解读] Emergent flat band and topological Kondo semimetal driven by orbital-selective correlations

Lei Chen, Fang Xie+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 53被引用 11

一句话总结

该论文表明，在具有轨道选择性莫特物理特性的d电子系统中，电子关联可精确地在费米能级产生平坦能带，从而形成拓扑Kondo半导体相。通过在具有C₃对称性破缺的三叶草晶格上构建Hubbard模型，作者证明强关联与晶格对称性的协同作用可稳定一个近费米能级的拓扑非平庸平坦能带，从而在过渡金属化合物中实现新颖的关联拓扑量子态。

ABSTRACT

Flat electronic bands are expected to show proportionally enhanced electron correlations, which may generate a plethora of novel quantum phases and unusual low-energy excitations. They are increasingly being pursued in $d$-electron-based systems with crystalline lattices that feature destructive electronic interference, where they are often topological. Such flat bands, though, are generically located far away from the Fermi energy, which limits their capacity to partake in the low-energy physics. Here we show that electron correlations produce emergent flat bands that are pinned to the Fermi energy. We demonstrate this effect within a Hubbard model, in the regime described by Wannier orbitals where an effective Kondo description arises through orbital-selective Mott correlations. Moreover, the correlation effect cooperates with symmetry constraints to produce a topological Kondo semimetal. Our results motivate a novel design principle for Weyl Kondo semimetals in a new setting, viz. $d$-electron-based materials on suitable crystal lattices, and uncover interconnections among seemingly disparate systems that may inspire fresh understandings and realizations of correlated topological effects in quantum materials and beyond.

研究动机与目标

• 探究电子关联是否可将原本远离费米能级的拓扑非平庸平坦能带移至低能区。
• 探讨d电子系统中轨道选择性莫特物理与拓扑能带结构之间的相互作用。
• 建立一种不依赖微调参数的实现拓扑Kondo半导体的新机制。
• 证明对称性约束与强关联共同稳定了拓扑Kondo半导体相。

提出的方法

• 在具有降低对称性的二维三叶草晶格上构建双轨道Hubbard模型（仅保留镜像对称性Mₓ），以保持由干涉相消导致的拓扑平坦能带。
• 采用U(1)辅助自旋方法处理强关联，重点关注具有局域自由度的重d轨道。
• 通过辅助自旋的鞍点分解推导准粒子权重Z和杂化参数的自洽方程。
• 通过辅助自旋与辅助费米子传播器的卷积计算完整格林函数，以获得谱函数。
• 通过准粒子权重Z与谱权重分析，识别出在费米能级处涌现的平坦能带。
• 通过分析对称性保护（Mₓ）与拓扑不变量，确认了拓扑Kondo半导体相。

实验结果

研究问题

• RQ1 在d电子系统中，电子关联能否使原本位于费米能级以下较深位置的平坦能带被钉扎在费米能级？
• RQ2 轨道选择性莫特物理如何在初始能带非简并的系统中促成费米能级处平坦能带的出现？
• RQ3 晶格对称性（如镜像对称性）在稳定拓扑Kondo半导体相中起什么作用？
• RQ4 强关联与拓扑性的相互作用能否导致一种不同于传统Kondo半导体的新量子相？
• RQ5 分子Wannier轨道在表示具有相消干涉的拓扑非平庸平坦能带时起什么作用？

主要发现

• Hubbard模型中的轨道选择性莫特关联可使平坦能带精确地出现在费米能级，即使非相互作用下的平坦能带原本位于极低能级。
• 涌现的平坦能带具有拓扑非平庸性，并受镜像对称性Mₓ保护，从而形成拓扑Kondo半导体相。
• 在费米能级处准粒子权重Z保持有限，表明在平坦能带附近形成了相干的重费米子液体态。
• 谱函数在费米能级处呈现尖锐峰且色散极小，证实了涌现能带的平坦性。
• 通过非零陈数和受保护的表面态，确认了该相的拓扑本质。
• 该机制为在合适晶格上实现基于d电子的Weyl Kondo半导体提供了新的设计原理。