[论文解读] Nematic electron states enhanced by orbital band hybridization

Wei-Cheng Lee, Congjun Wu|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用 24

一句话总结

本文提出，过渡金属氧化物中轨道能带杂化通过将朗道相互作用的权重从s波通道转移至非s波通道，驱动了向列电子态的形成，即使在常规相互作用下也能引致费米面的各向异性畸变。在包含杂化的d_{xz}与d_{yz}能带的多带 Hubbard 模型中，该研究证明了通过反铁磁耦合可稳定向列序，从而解释了在强磁场下 Sr₃Ru₂O₇ 中的各向异性态。

ABSTRACT

We extend the study of the Fermi surface instability of the Pomeranchuk type into systems with orbital band structures, which are common features in transition metal oxides. Band hybridization significantly shifts the spectra weight of the Landau interactions from the conventional s-wave channel to unconventional non-s-wave channels, which results in anisotropic (nematic) Fermi surface distortions even with ordinary interactions in solids. The Ginzburg-Landau free energy is constructed by coupling the charge-nematic, spin-nematic and ferromagnetic order parameters together, which shows that nematic electron states can be induced by metamagnetism. The connection between this mechanism to the anisotropic metamagnetc states observed in Sr$_3$Ru$_2$O$_7$ at high magnetic fields is studied in a multi-band Hubbard model with the hybridized quasi-one dimensional $d_{xz}$ and $d_{yz}$-bands.

研究动机与目标

• 研究轨道能带杂化在超越传统s波 Pomeranchuk 不稳定性之外，对费米面不稳定性的作用。
• 理解杂化如何改变朗道相互作用的通道主导性，从而导致各向异性（向列）费米面畸变。
• 建立关联电子系统（如 Sr₃Ru₂O₇）中顺磁性与向列序之间的联系。
• 构建一个吉布斯-朗道自由能框架，耦合电荷-向列、自旋-向列与铁磁序参数，以探索涌现的向列性。

提出的方法

• 构建一个包含与 Sr₃Ru₂O₇ 相关的杂化准一维 d_{xz} 与 d_{yz} 能带的多带 Hubbard 模型。
• 分析由于能带杂化导致的朗道相互作用谱权重重分布，使其主导通道从 s 波转向非 s 波通道。
• 推导一个耦合电荷-向列、自旋-向列与铁磁序参数的吉布斯-朗道自由能泛函。
• 利用吉布斯-朗道框架研究在反铁磁条件下向列序的稳定性和相互作用。
• 通过解析与数值分析，识别由杂化及磁场诱导效应驱动的向列态的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 轨道能带杂化如何改变关联电子系统中朗道相互作用的通道结构？
• RQ2 当能带杂化使相互作用权重转移至非s波通道时，是否能从常规电子-电子相互作用中产生向列费米面畸变？
• RQ3 顺磁性在稳定 Sr₃Ru₂O₇ 高场相中的向列电子态方面起到何种作用？
• RQ4 在吉布斯-朗道描述中，电荷-向列、自旋-向列与铁磁序参数如何耦合以实现向列性？
• RQ5 所观测到的 Sr₃Ru₂O₇ 中各向异性顺磁态在多大程度上可由杂化诱导的向列性来解释？

主要发现

• 轨道能带杂化将朗道相互作用的主导通道从 s 波转向非 s 波，即使在普通相互作用下也能实现各向异性费米面畸变。
• 吉布斯-朗道自由能框架确认，通过与反铁磁态的耦合，特别是通过自旋-向列与铁磁涨落，可诱导向列序。
• 在包含 d_{xz} 与 d_{yz} 能带的多带 Hubbard 模型中，杂化显著增强了向列响应率。
• 该模型再现了 Sr₃Ru₂O₇ 在高磁场下观测到的各向异性顺磁态的关键特征，将其与杂化驱动的向列性联系起来。
• 电荷-向列、自旋-向列与铁磁序参数的共存与耦合，在无显式向列相互作用下稳定了向列电子态。