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Department of Physics & Astronomy

[황윤석 학생, 양범정 교수] 평평띠 란다우 준위 퍼짐의 기하학적 원인 규명 (Nature Communications 논문 게재)

2021-11-08l 조회수 568

Geometric characterization of anomalous Landau levels of isolated flat bands

최근 평평한 에너지띠 물질의 물성에 대한 관심이 높다. 준고전이론에 따르면 평평띠는 무한히 큰 질량 때문에 자기장을 걸어도 란다우 준위가 형성이 되지 않는다. 최근 본 이론그룹은 평평띠가 다른 분산띠와 한 점에서 교차하는 경우, 란다우 준위 퍼짐이 파동함수의 양자거리에 의해 정해짐을 증명하여 2020년 Nature에 보고한 바 있다. 본 연구에서는 에너지 교차점이 없는 평평띠에서 란다우 준위 퍼짐이 나타날 수 있는 기하학적 원인을 세계 최초로 규명하였다. 특히 평평띠와 이웃한 에너지띠 사이의 interband coupling이 Fidelity tensor로 기술됨을 증명하였고, 대칭성이 란다우 준위 퍼짐에 큰 영향을 줌을 보였다. 본 연구는 평평띠 시스템이 전자 파동함수의 기하학적 성질을 연구하는 이상적인 시스템임을 제시하였다.

According to the Onsager’s semiclassical quantization rule, the Landau levels of a band are bounded by its upper and lower band edges at zero magnetic field. However, there are two notable systems where the Landau level spectra violate this expectation, including topological bands and flat bands with singular band crossings, whose wave functions possess some singularities. Here, we introduce a distinct class of flat band systems where anomalous Landau level spreading (LLS) appears outside the zero-field energy bounds, although the relevant wave function is nonsingular. The anomalous LLS of isolated flat bands are governed by the cross-gap Berry connection that measures the wave-function geometry of multi bands. We also find that symmetry puts strong constraints on the LLS of flat bands. Our work demonstrates that an isolated flat band is an ideal system for studying the fundamental role of wave-function geometry in describing magnetic responses of solids.

 

Authors: Yoonseok Hwang (서울대), Jun-Won Rhim*(아주대), Bohm-Jung Yang* (서울대)

 

Publication date: 05 November 2021

Link: Geometric characterization of anomalous Landau levels of isolated flat bands | Nature Communications