[论文解读] Extraordinary Coulomb correlations and incipient excitonic instability of Weyl fermions

M. Hirata, Kyohei Ishikawa+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 11被引用 2

一句话总结

本研究利用核磁共振（NMR）揭示了二维外尔费米子中非凡的库仑关联，由于相互作用驱动的费米速度重正化，导致零动量自旋涨落被抑制，使科林加比值出现1000倍的偏离。在低温下，NMR速率显著增加，表明出现准粒子的激发子序和向重质量费米子的转变。

ABSTRACT

Recent advances in the study of nodal Weyl fermions (WFs), quasi-relativistic massless particles, constitute a novel realm of quantum many-body phenomena. The Coulomb interaction in such systems, having a zero density of states at the Fermi level, is of particular interest, since in contrast to conventional correlated metals, its long-ranged component is unscreened. Here, through nuclear-magnetic-resonance (NMR) measurements, we unveil the exotic spin correlations of two-dimensional WFs in an organic material, causing a divergent increase of the Korringa ratio by a factor of 1000 upon cooling, in striking contrast with conventional metallic behaviors. Combined with model calculations, we show that this divergence stems from the interaction-driven velocity renormalization that almost exclusively suppresses the zero-momentum spin fluctuations. At low temperatures, the NMR rate shows a remarkable increase, which is shown by numerical analyses to correspond to inter-node excitonic fluctuations, precursor of a transition from massless to massive quasiparticles.

研究动机与目标

• 研究在费米能级态密度趋于零的条件下，由于长程相互作用未被屏蔽，二维外尔费米子中库仑关联的本质。
• 理解电子-电子相互作用如何在无质量外尔费米子中引发异常自旋关联，与常规金属形成对比。
• 探测作为无质量与重质量准粒子相变前兆的激发子序的出现。
• 将实验NMR数据与理论模型相联系，以识别观测到的发散行为的微观起源。

提出的方法

• 对有机外尔半金属进行核磁共振（NMR）测量，以探测局域自旋动力学及科林加比值随温度的变化。
• 分析温度依赖的NMR弛豫速率，以检测节点间激发子涨落的特征。
• 采用模型计算模拟电子-电子相互作用的影响，重点研究速度重正化与自旋涨落抑制。
• 利用数值分析将观测到的NMR速率增强与系统中激发子序的出现相联系。
• 将实验数据与理论预测进行比较，以验证未屏蔽库仑相互作用在驱动异常行为中的作用。
• 聚焦于零动量自旋涨落，作为激发子不稳定性出现的关键诊断指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 未屏蔽的库仑相互作用如何影响二维外尔费米子中的自旋关联？
• RQ2 冷却过程中科林加比值出现1000倍偏离的原因是什么，其与常规金属行为有何不同？
• RQ3 在费米子系统中，由相互作用驱动的速度重正化在多大程度上抑制了零动量自旋涨落？
• RQ4 低温下NMR弛豫速率增强的根源是什么，其与激发子涨落有何关联？
• RQ5 数值分析能否证实观测到的行为标志着重质量准粒子态的前驱形成？

主要发现

• 冷却过程中科林加比值增加了1000倍，表明其自旋关联程度远超常规金属中的表现。
• 该偏离源于由相互作用驱动的速度重正化，后者强烈抑制了零动量自旋涨落。
• NMR弛豫速率在低温下表现出显著增加，表明节点间激发子涨落的出现。
• 数值分析证实，增强的NMR速率对应于从无质量到重质量准粒子相变的前驱涨落。
• 观测到的行为归因于费米能级态密度趋于零的体系中未屏蔽的长程库仑相互作用。
• 模型计算支持，主要效应是速度重正化导致低能自旋涨落被抑制，从而推动系统向激发子不稳定性演化。