[论文解读] Exceptional Heavy-Fermion Semimetals in Three Dimensions

Yu-Liang Tao, Tao Qin+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2021

Advanced Materials Characterization Techniques被引用 4

一句话总结

本文在具有反演对称性破缺的周期性Anderson模型中提出了一种新颖的三维非厄米重费米子半金属相，其中有限温度效应使外尔点演化为外尔非厄米环，最终形成两个承载边界体态费米管的非厄米环。通过动力学平均场理论和微扰理论，该研究展示了这些拓扑费米管在角分辨光电子能谱中的实验可观测谱学特征。

ABSTRACT

Topological heavy-fermion systems in three dimensions are usually classified as topological insulators or semimetals. Here, we theoretically predict a different type of heavy-fermion system (dubbed exceptional heavy-fermion semimetal) by studying a three-dimensional periodic Anderson model consisting of strongly correlated localized $f$ electrons and itinerant conduction $c$ electrons in a zincblende lattice. Due to the breaking of inversion symmetry, the quasiparticle lifetimes at different sublattices are distinct, leading to the emergence of Weyl exceptional rings in the complex pole of the Green's function at finite temperatures; such rings lead to the appearance of bounded Fermi surfaces (bulk Fermi disks). As temperatures rise, two pairs of Weyl exceptional rings merge into two exceptional rings with one bounded bulk Fermi surface (bulk Fermi tube), which are experimentally measurable by angle-resolved photoemission spectroscopy. Finally, we use the dynamical mean field theory to calculate the spectral functions which illustrate the emergence of bulk Fermi tubes. Our work thus opens the door for studying exceptional heavy-fermion semimetal phases in three dimensions.

研究动机与目标

• 探索在非厄米非相互作用模型之外的三维强关联体系中边界费米面的出现。
• 研究在真实三维重费米子材料中，由于准粒子衰减引起的非厄米效应，是否可产生具有有限边界的体态费米面。
• 识别一类新的拓扑相——非厄米重费米子半金属，其特征为格林函数复极点中的非厄米环和有界费米面。
• 提供理论框架和数值证据，通过谱函数和DMFT计算，揭示这些相的实验可观测谱学特征。

提出的方法

• 在闪锌矿晶格上构建一个三维周期性Anderson模型，包含A和B子晶格，引入局域f电子、巡游c电子及杂化项。
• 应用二阶微扰理论推导有效非厄米哈密顿量，表明反演对称性破缺导致子晶格依赖的准粒子寿命。
• 在有限温度下识别复能谱平面中由外尔点演化而来的外尔非厄米环。
• 使用动力学平均场理论（DMFT）计算谱函数，揭示动量空间中体态费米管的形成。
• 分析能谱和谱函数的实部与虚部，识别非厄米环和费米面拓扑结构的演化。
• 通过Matsubara格林函数和准粒子权重验证Mott转变及位点选择性行为，确认A和B子晶格上绝缘/金属响应的显著差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超越传统非厄米拓扑半金属的三维强关联体系中，是否可出现具有有限边界的拓扑费米面？
• RQ2 有限温度效应和反演对称性破缺如何导致格林函数复极点中非厄米环的形成？
• RQ3 随着温度升高，费米面拓扑结构如何演化，其是否可从费米盘转变为费米管？
• RQ4 通过DMFT计算得到的谱函数是否能揭示这些非厄米半金属相的实验可观测谱学特征？
• RQ5 A和B子晶格上的位点选择性Mott转变如何与非厄米拓扑特征的出现相关联？

主要发现

• 在有限温度下，有效哈密顿量中的外尔点由于子晶格依赖的准粒子寿命，演化为具有边界费米盘的外尔非厄米环。
• 随着温度进一步升高，两对外尔非厄米环合并为两个非厄米环，每个环均承载一个单一的有界费米面，形式为体态费米管。
• 通过DMFT计算的谱函数清晰显示出在费米管周围零能附近存在明亮且扩展的区域，证实其在动量空间中的存在。
• 谱函数表现出两个不同分支：一个尖锐、狭窄的峰（蓝色），虚部较小；一个宽广、微弱的峰（红色），虚部较大，解释了为何仅能观测到一个分支。
• Mott转变具有位点选择性：随着U增大，子晶格A发生金属-绝缘体转变，而子晶格B保持金属性，与反演对称性破缺一致。
• Matsubara格林函数的虚部和准粒子权重确认了Mott转变，以及A和B子晶格上f电子行为的非等价性。