[论文解读] Topological semimetals without quasiparticles

Haoyu Hu, Lei Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种框架，通过利用晶格对称性来约束强关联体系中关联诱导的涌现激发，从而在无准粒子的情况下实现拓扑半金属。基于凯库米晶格上的双通道周期性Anderson模型，该研究展示了具有幂律谱函数、受保护的狄拉克节点以及量化谷霍尔电导率的非费米液体拓扑相，为超越自由电子模型的拓扑态提供了新途径。

ABSTRACT

The interplay between interactions and topology in quantum materials is of extensive current interest. Strong correlations are known to be important for insulating topological states, as exemplified by the fractional quantum Hall effect. For the metallic case, whether and how they can drive topological states that have no free-electron counterparts is an open and pressing question. We introduce a general framework for lattice symmetries to constrain single-particle excitations even when they are not quasiparticles, and substantiate it in a periodic Anderson model with two channels of conduction electrons. We demonstrate that symmetry constrains correlation-induced emergent excitations to produce non-Fermi liquid topological phases. The loss of quasiparticles in these phases is manifested in a non-Fermi liquid form of spectral and transport properties, whereas its topological nature is characterized by surface states and valley and spin Hall conductivities. We also identify candidate materials to realize the proposed phases. Our work opens a door to a variety of non-Fermi liquid topological phases in a broad range of strongly correlated materials.

研究动机与目标

• 建立一个理论框架，用于描述由于强关联而缺乏准粒子描述的拓扑半金属。
• 证明晶格对称性可约束非准粒子激发，从而产生稳健的拓扑相。
• 在关联电子体系中识别出具有涌现狄拉克节点和量化输运响应的非费米液体拓扑半金属。
• 为表现出此类相的候选材料提供预测模型，包括PrFe₄P₁₂和UPt₃Au₂。

提出的方法

• 基于空间群对称性对格林函数本征矢量的约束形式化方法，即使激发并非准粒子亦适用。
• 使用双导带周期性Anderson模型来模拟强电子关联和Kondo屏蔽。
• 通过动力学平均场理论（DMFT）和数值重整化群（NRG）技术数值求解自能和谱函数。
• 分析谱函数和自能，以识别表征非费米液体行为的幂律行为。
• 计算谷霍尔和自旋霍尔电导率以探测拓扑特性，并通过边缘态分析确认表面态的存在。
• 通过与实验电阻率和比热数据对比，识别候选材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 当强关联导致准粒子缺失时，晶格对称性能否稳定拓扑半金属？
• RQ2 关联体系中非费米液体拓扑相的谱学和输运特征是什么？
• RQ3 在无准粒子的情况下，空间群对称性如何约束涌现激发的色散关系和简并度？
• RQ4 非费米液体拓扑半金属能否与自由电子拓扑态发生绝热连接？
• RQ5 哪些真实材料是此类相的有前途候选？

主要发现

• 三维和二维凯库米晶格模型中涌现激发的谱函数在频率跨度达两个甲子的范围内表现出ω⁻¹/²的幂律依赖，表明存在非费米液体行为。
• 自能发展出一个极点，其实部随√|ω|变化，证实了准粒子描述的失效，并与非费米液体物理一致。
• 在二维凯库米模型中，狄拉克节点出现在费米能级，两个不同模式的谱峰在受保护点交叉，且在费米能附近通过能带重构得到验证。
• 在低温下，电阻率和谷霍尔电导率均随√T变化，这是非费米液体行为的典型特征。
• 在三维凯库米模型中观察到具有指数衰减进入体内的边缘态，证实了拓扑保护表面态的存在。
• 识别出PrFe₄P₁₂和UPt₃Au₂为候选材料：PrFe₄P₁₂表现出重费米子行为并在磁场下电阻率抑制；UPt₃Au₂表现出大电阻率和弱温度依赖性，与非金属、关联态一致。