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-N_f 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 N_f theory and the ε=4-d method with fermion flavor number N_f and spatial dimension d, we obtain the anomalous dimensions of electrons (η_f=0.366/N_f) in large N_f 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.