[论文解读] Extended regime of coexisting metallic and insulating phases in a two-orbital electronic system

M. Vandelli, J. Kaufmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Advanced Chemical Physics Studies被引用 9

一句话总结

本研究通过超越动态平均场理论（DMFT）的非局域关联方法，在具有晶体场劈裂的双轨道 Hubbard 模型中，揭示了金属相与 Mott 绝缘相之间显著宽广的亚稳态共存区域。引入非局域集体涨落后，发现在相同电子密度但不同化学势下存在两种不同的解，将共存区域从略高于带宽扩展至超过两倍带宽。

ABSTRACT

We investigate the metal-to-insulator phase transition driven by the density-density electronic interaction in the quarter-filled model on a cubic lattice with two orbitals split by a crystal field. We show that a systematic consideration of the non-local collective electronic fluctuations strongly affects the picture of the phase transition provided by the dynamical mean field theory. Our calculations reveal the appearance of metallic and Mott insulating states characterised by the same density but different values of the chemical potential, which is missing in the local approximation to electronic correlations. We find that the region of concomitant metastability of these two solutions is remarkably broad in terms of the interaction strength. It starts at a critical value of the interaction slightly larger than the bandwidth and extends to more than twice the bandwidth, where the two solutions merge into a Mott insulating phase. Our results illustrate that non-local correlations can have crucial consequences on the electronic properties in the strongly correlated regime of the simplest multi-orbital systems.

研究动机与目标

• 研究非局域电子关联对具有晶体场劈裂的双轨道系统中金属-绝缘体相变的影响。
• 解决动态平均场理论（DMFT）的局限性，该理论忽略了非局域涨落，无法捕捉在相同密度下具有不同化学势的亚稳态相。
• 探讨轨道劈裂与电子关联如何共同影响多轨道系统中的 Mott 相变。
• 建立一个理论框架，以捕捉由于非局域关联而出现的多个稳定态与亚稳态相。
• 为强关联材料中相共存现象提供更精确的描述，这些材料与过渡金属氧化物和富勒烯相关。

提出的方法

• 采用双 fermion 方法，系统地引入 DMFT 局域近似之外的非局域电子关联。
• 在具有密度-密度相互作用和轨道间晶体场劈裂的立方晶格上使用双轨道 Hubbard 模型。
• 以动态平均场理论为起点，通过非局域涨落展开方法扩展，以捕捉集体电子效应。
• 通过追踪不同相互作用强度下的化学势和谱函数，识别相共存现象。
• 利用先进的数值技术，包括解析续算和自能修正，计算电子结构。
• 通过一致性检验和与已知极限（如单带 Mott 相变）的比较，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 非局域电子涨落如何改变具有晶体场劈裂的双轨道 Mott 系统的相图？
• RQ2 当引入非局域关联时，金属相与绝缘相是否能在相同电子密度但不同化学势下共存？
• RQ3 在考虑非局域关联时，共存区域在相互作用强度上的范围有多大？
• RQ4 晶体场劈裂如何影响金属相与绝缘相的稳定性和性质？
• RQ5 与 DMFT 预测相比，引入非局域关联在多大程度上改变了 Mott 相变的临界相互作用强度？

主要发现

• 非局域关联导致两种不同解的出现——金属相与 Mott 绝缘相——它们在相同电子密度下但具有不同的化学势。
• 亚稳态共存区域的相互作用强度范围从略高于带宽开始，延伸至超过两倍带宽。
• 该扩展的共存区域在标准 DMFT 中因忽略了非局域涨落而不存在。
• 当相互作用强度超过两倍带宽时，Mott 绝缘相得以稳定，此时两种解合并。
• 结果表明，非局域关联对于捕捉多轨道关联系统中真实的相行为至关重要。
• 研究结果表明，轨道劈裂与非局域效应共同促进复杂的相共存，挑战了 DMFT 的局域图像。