새소식

Department of Physics & Astronomy

[이창희 학생, 민홍기 교수] 이중-바일 준금속의 위상 상전이점에서 비등방성 비-페르미 액체 상태에 관한 연구 (PRL 논문 게재)

2019-05-15l 조회수 1073

이중-바일 준금속(double-Weyl semimetal)에 물리적 혹은 화학적 압력을 가하는 방식으로 위상적 전하(topological charge)의 부호가 다른 두 이중-바일 페르미온을 쌍소멸 시킬 수 있다. 이중-바일 페르미온의 쌍소멸이 일어난 후에는 물질이 준금속이 아닌 부도체가 되는데, 준금속과 부도체 상의 경계면에서 위상적 상전이(topological phase transition)가 일어나게 된다.
본 연구는 재규격화군(renormalization group)의 표준적인 두 가지 방식(large-Nf method, ε=4-d expansion)을 이용하여 이중-바일 준금속의 위상적 상전이점에서 전자간 쿨롱 상호작용의 영향을 연구하였다. 이중-바일 준금속의 위상적 상전이점에서 상호작용으로 인해 비등방성(anisotropy)이 발현되고 고체 내 전자에 대한 준입자(quasiparticle) 기술이 한계에 봉착하는 비-페르미 액체(non-Fermi liquid)가 구현됨을 보였으며, 이에 대한 실험적 신호들을 제시하였다. 기존에 이론적으로 제안된 비등방성 비-페르미 액체 상들은 질서 변수(order parameter)의 대칭성 깨짐(symmetry breaking)을 수반하는 것에 반해, 본 연구에서 제안된 비등방성 비-페르미 액체는 대칭성 깨짐과 무관한 위상적 상전이를 통해 나타난다는 점에서 비등방성 비-페르미 액체를 구현하는 새로운 보편성 부류(universality class)를 제안하였다는 의미가 있다.
본 연구는 카이스트의 한상은 학생, 문은국 교수 그룹과 공동 연구로 진행되었다.
Understanding correlation effects in topological phases and their transitions is a cutting-edge area of research in recent condensed matter physics. We study topological quantum phase transitions (TQPTs) between double-Weyl semimetals (DWSMs) and insulators, and argue that a novel class of quantum criticality appears at the TQPT characterized by emergent anisotropic non-Fermi liquid behaviors, in which the interplay between the Coulomb interaction and electronic critical modes induces not only anisotropic renormalization of the Coulomb interaction but also strongly correlated electronic excitation in three spatial dimensions. Using the standard renormalization group methods, large Nf theory and the ε=4-d method with fermion flavor number Nf and spatial dimension d, we obtain the anomalous dimensions of electrons (ηf=0.366/Nf) in large Nf theory and the associated anisotropic scaling relations of various physical observables. Our results may be observed in candidate materials for DWSMs such as HgCr2Se4 or SrSi2 when the system undergoes a TQPT.
Authors: SangEun Han (제1 저자, 카이스트), Changhee Lee (제 1저자, 서울대), Eun-Gook Moon (교신, 카이스트), Hongki Min (교신, 서울대)
Title: Emergent anisotropic non-Fermi liquid at a topological phase transition in three dimensions
Journal: Phys. Rev. Lett. 122, 187601 (2019)
Publication date: 10 May 2019
Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.187601

그림설명 : 
(a) 이중-바일 준금속의 위상 상전이에 관한 T(온도) vs m(조절 변수) 상 도표(phase diagram). DWSM: 이중-바일 준금속상, INS: 부도체상, TQPT: 위상적 상전이점. 점선 아래 빨간 영역과 파란 영역은 각각 페르미 액체(Fermi liquid) 이론이 고체 전자를 성공적으로 기술하는 영역인 반면, 가운데의 색이 없는 영역에서는 비등방성 비-페르미 액체의 성질이 현저하게 나타난다.
(b)-(d) ε-expansion method에서 계산한 파인만 다이어그램(Feynman diagram)과 (e) large Nf method에서 계산한 파인만 다이어그램. 곧은 선은 전자의 그린 함수(Green’s function)를 나타내고 굽은 선은 보존의 그린 함수를 나타낸다.