[论文解读] Hund's metals, explained

Luca de’ Medici|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2017

Rare-earth and actinide compounds被引用 8

一句话总结

本文精确定义了'Hund's金属'为由强Hund耦合驱动的金属相，其特征为增强的准粒子质量、局域自旋涨落以及轨道选择性关联。通过从头计算和模型研究，表明这些特征在接近半满的关联金属中普遍存在，且压缩率发散预示着与高温超导相关的增强准粒子相互作用。

ABSTRACT

A possible practical definition for a Hund's metal is given, as a metallic phase - arising consistently in realistic simulations and experiments in Fe-based superconductors and other materials - with three features: large electron masses, high-spin local configurations dominating the paramagnetic fluctuations and orbital-selective correlations. These features are triggered by, and increase with the proximity to, a Hund's coupling-favored Mott insulator that is realized for half-filled conduction bands. A clear crossover line is found where these three features get enhanced, departing from the Mott transition at half filling and extending in the interaction/doping plane, between a normal (at weak interaction and large doping) and a Hund's metal (at strong interaction and small doping). This phenomenology is found identically in models with featureless bands, highlighting the generality of this physics and its robustness by respect to the details of the material band structures. Some analytical arguments are also given to gain insight into these defining features. Finally the attention is brought on the recent theoretical finding of enhanced/diverging electronic compressibility near the Hund's metal crossover, pointing to enhanced quasiparticle interactions that can cause or boost superconductivity or other instabilities.

研究动机与目标

• 精确定义Hund's金属，将其与一般关联金属区分开来。
• 确立Hund's金属行为源于Hund耦合引起的局域电子关联，而非能带结构细节。
• 证明Hund's金属特征在模型和真实材料（如铁基超导体）中具有普遍性。
• 将正常相到Hund's金属的交叉与增强的电子压缩率及潜在不稳定性联系起来。
• 探讨通过准粒子相互作用，压缩率增强与高温超导之间可能存在的关联。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）结合助子自旋平均场（SSMF）方法，模拟铁基超导体中的电子结构。
• 使用具有平坦态密度的简化5轨道Hubbard模型，以隔离Hund耦合的作用。
• 运用解析多体理论，解释Hund耦合如何导致轨道选择性关联和质量增强。
• 在DFT+SSMF框架下计算电子压缩率，以探测正常相到Hund's金属交叉附近的不稳定性。
• 在相互作用/掺杂参数空间中绘制相图，以确定正常相与Hund's金属相之间的交叉线。
• 对准粒子质量与压缩率进行轨道分辨分析，以确认轨道选择性与关联增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 除了模糊的现象学描述外，Hund's金属的定义是什么？如何在材料中精确识别它？
• RQ2 Hund's金属的特征在多大程度上依赖于铁基超导体的特定能带结构？
• RQ3 Hund耦合如何在金属相中驱动轨道选择性关联与增强的准粒子质量？
• RQ4 电子压缩率在信号正常相到Hund's金属交叉附近的不稳定性中起什么作用？
• RQ5 Hund's金属中压缩率的增强是否可通过增强的准粒子相互作用与高温超导相联系起来？

主要发现

• Hund's金属由三个关键特征定义：增强的准粒子质量、主导的局域自旋涨落以及轨道选择性关联，这些特征随空穴掺杂和相互作用强度的增加而增强。
• 这些特征在具有平坦态密度的简化Hubbard模型中依然存在，证明其普遍性，不局限于铁基材料。
• 从正常金属到Hund's金属的交叉沿着一条从半满处莫特转变延伸的线发生，该前沿附近物理量显著增强。
• 电子压缩率在交叉附近显著增强，最终发散，预示着相分离或电荷密度波不稳定的出现。
• 压缩率增强与轨道选择性质量增强的出现相关，表明二者源于Hund耦合物理的共同起源。
• 针对BaFe2As2的从头算DFT+SSMF计算证实了压缩率的‘胡须状’特征，使用真实相互作用参数（U=2.7 eV，J/U=0.25），与观测到的超导和磁性不稳定性一致。