[论文解读] Extended Dynamical Mean Field Theory for Correlated Electron Models

Haoyu Hu, Lei Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用 7

一句话总结

本文提出扩展的动态平均场理论（EDMFT）作为一种非微扰框架，用于研究同时具有局域（如Hubbard）和非局域（如RKKY）相互作用的关联电子系统。通过动态处理局域Kondo屏蔽与长程RKKY相互作用之间的竞争，EDMFT揭示了在量子临界点处的Kondo破坏，导致准粒子崩溃和普朗克标度，其应用涵盖重费米子金属以及铁基超导体中的轨道选择性莫特物理和拓扑平坦能带。

ABSTRACT

An overarching question in strongly correlated electron systems is how the landscape of quantum phases emerges from electron correlations. The method of extended dynamical mean field theory (EDMFT) has been developed for clean lattice models of the correlated electrons. For such models, not only onsite Hubbard-like interactions are important, but so are intersite interactions. Importantly, the EDMFT method treats the interplay between the onsite and intersite interactions dynamically. It was initially formulated for models of the two-band Anderson-lattice type with intersite interactions, as well as for the one-band Hubbard type with intersite Heisenberg-like terms that are often called Hubbard-Heisenberg models. In the case of Kondo lattice models, the EDMFT method incorporates a dynamical competition between the local Kondo and intersite Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interactions. In these models, the EDMFT-based analyses led to the notion of Kondo destruction, which has played a central role in the understanding of quantum critical heavy fermion metals. In this article, we summarize the EDMFT method, and survey its applications, particularly for Kondo/Anderson lattice models. We also discuss the prospect for further developing the EDMFT method, as well as for applying it to address the correlation physics in a variety of new settings. Among the latter are the orbital-selective Mott physics that arises both in iron-based superconductors and in frustrated bulk systems with topological flat bands.

研究动机与目标

• 开发一种适用于同时具有局域与非局域相互作用的关联电子模型的非微扰框架。
• 解决Kondo/安德森晶格模型中局域Kondo与非局域RKKY相互作用之间的动力学竞争问题。
• 解释重费米子系统在量子临界点处准粒子崩溃与普朗克标度出现的机制。
• 将EDMFT拓展至新型量子材料，包括铁基超导体和具有拓扑平坦能带的动能受挫系统。
• 通过GW+EDMFT方法实现从头算电子结构计算。

提出的方法

• EDMFT通过动态方式引入频率与动量依赖的非局域相互作用（如RKKY），扩展了标准DMFT。
• 该方法自洽求解包含局域相互作用（如Kondo）与非局域自旋交换项（如海森堡/RKKY）的杂质问题。
• 采用动力学自能方法，捕捉局域屏蔽与长程磁关联之间的相互作用。
• 通过量子蒙特卡洛或精确对角化求解杂质问题，并利用自洽条件在晶格上进行动量积分。
• GW+EDMFT混合方法用EDMFT导出的局域自能替代GW中的局域部分，实现从头算电子结构计算。
• 在新体系中，EDMFT被应用于具有轨道杂化与拓扑平坦能带的模型，以研究轨道选择性莫特相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 局域Kondo与非局域RKKY相互作用之间的动力学竞争如何驱动重费米子金属中的量子相变？
• RQ2 Kondo破坏在准粒子崩溃与量子临界点处普朗克标度出现的过程中起什么作用？
• RQ3 EDMFT能否描述具有轨道间杂化与自旋交换相互作用的铁基超导体中的轨道选择性莫特相变？
• RQ4 EDMFT如何捕捉具有拓扑平坦能带并与宽能带导带耦合的受挫体材料中的关联物理？
• RQ5 GW+EDMFT方法在强关联材料中改善从头算电子结构计算的范围与程度如何？

主要发现

• EDMFT揭示，Kondo破坏源于局域Kondo屏蔽与非局域RKKY相互作用之间的动力学竞争，导致在量子临界点处准粒子权重崩溃。
• 该方法预测在量子临界点处费米面突然从大到小跃迁，标志费米液体行为的破坏。
• EDMFT在自能中捕捉到普朗克标度（ℏω/kB T），表明在量子临界点附近存在非费米液体动力学。
• 在铁基超导体中，EDMFT为研究由轨道间杂化与非局域自旋交换驱动的轨道选择性莫特物理提供了理论框架。
• 在拓扑平坦能带系统中，EDMFT预测当与导带耦合时会出现有效轨道选择性莫特相变，暗示新的关联驱动现象。
• GW+EDMFT方法通过用EDMFT结果替代局域GW自能，实现了非微扰、从头算的电子结构计算，显著提升了强关联材料的计算精度。