[论文解读] Non-Fermi-liquid fixed point in multi-orbital Kondo impurity model relevant for Hund's metals

Alen Horvat, Rok Žitko+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2019

Rare-earth and actinide compounds被引用 5

一句话总结

本文利用数值重整化群（NRG）方法研究了多轨道Kondo杂质模型在Hund金属中的表现，旨在探索介于自旋屏蔽与轨道屏蔽之间的中间温度区间的低能固定点。研究识别出一个非费米液体两通道SU(3)固定点，其轨道磁化率呈现独特的ω¹/⁵频率依赖性，并在谱函数中出现附加峰，从而对Hund金属中的非相干态提供了精确描述。

ABSTRACT

Due to the separation between the spin and the orbital screening scales, the normal state of Hund's metals at ambient temperature can be loosely characterized as a partially coherent state with fluctuating spins and quenched orbital moments. With the aim to characterize this situation more precisely, we investigate the Kondo-Kanamori impurity model that describes the low-energy local physics of three-orbital Hund's metals occupied by two or four electrons. Within this model one can diminish the mixed spin-orbital terms and thereby enhance the separation between the two screening scales, allowing a more precise investigation of the intermediate state. Using the numerical renormalization group we calculate the impurity entropy as well as the temperature and frequency dependence of the spin and the orbital susceptibilities. We uncover a non-Fermi-liquid two-channel overscreened SU(3) fixed point that controls the behavior in the intermediate regime. We discuss its fingerprints in the frequency dependence of local orbital susceptibility and the shape of the spectral function.

研究动机与目标

• 精确表征Hund金属中自旋涨落与轨道矩被抑制共存的中间温度态。
• 研究在强自旋-轨道混合耦合缺失条件下，自旋与轨道Kondo屏蔽尺度分离的作用。
• 识别控制多轨道Kondo系统中非相干区间的低能固定点，该系统与Hund金属相关。
• 为相关氧化物（如钌酸盐和铁砷化物）中非费米液体行为提供理论参考。
• 将固定点物理与可观测谱学特征（如谱函数中的侧峰和频率依赖的轨道磁化率）相联系。

提出的方法

• 采用数值重整化群（NRG）求解具有三个轨道和两个或四个电子的Kondo- Kanamori杂质模型。
• 通过抑制混合自旋-轨道耦合项（J_ls），增强自旋（T_K^S）与轨道（T_K^L）屏蔽尺度之间的分离。
• 计算杂质熵、自旋与轨道磁化率以及作为温度与频率函数的谱函数。
• 通过分析轨道磁化率的频率依赖性与谱函数的形状，识别固定点行为。
• 与已知的非费米液体固定点（如两通道SU(3)、三通道SU(2)）进行比较，并计算剩余熵。
• 将模型扩展至抑制四极矩与势散射项的情况，以分离粒子-空穴对称的固定点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋与轨道屏蔽尺度分离的多轨道Hund金属中，控制中间温度区间的低能固定点的本质是什么？
• RQ2 在非费米液体区，轨道磁化率如何行为？其频率依赖性如何？
• RQ3 由于非费米液体固定点，单粒子谱函数中会涌现出何种谱学特征？
• RQ4 剩余熵与杂质熵如何随耦合参数演化？这对固定点结构有何启示？
• RQ5 非费米液体物理是否可与Sr₂RuO₄中光学电导率观测到的侧峰等实验特征相联系？

主要发现

• 在T_K^S < T < T_K^L的中间温度区，识别出非费米液体两通道SU(3)固定点作为主导固定点。
• 在非费米液体区，轨道磁化率表现出∝ ω¹/⁵的幂律频率依赖性，这是两通道SU(3)固定点的特征标志。
• 谱函数在N_d = 2时于负频率处出现侧峰，在N_d = 4时于正频率处出现侧峰，与Sr₂RuO₄中的光学响应观测一致。
• 两通道SU(3)固定点的剩余熵为S_imp0 ≈ 0.481，与抑制自旋Kondo耦合的模型在零温极限下的结果一致。
• 仅当混合自旋-轨道耦合项（J_ls）被抑制时，该固定点才稳定；否则粒子-空穴对称性被破坏，固定点无法实现。
• 结果为Hund金属中非相干态提供了精确的理论参考，解释了钌酸盐及其相关化合物中异常谱函数与响应函数的起源。