什么是费米面嵌套?

什么是费米面嵌套?

以2D Square lattice举个例子,抛砖引玉,讲一下自己简单的理解: 2D 正方晶格的紧束缚模型可以用哈密顿量描述 转换到k空间,

不妨假设 如图1(a)可知,不同化学势对应的费米面。其中,化学势等于0时,费米面为 这是单体部分的能带。

从单体能带出发,考虑相互作用。在某种相互作用下,体系基态为一种棋盘CDW的状态,如图1(b)。针对这种基态,我们可以把这种CDW作为背景,电子会感受到交错的在位势。完全可以重写哈密顿量,得到交错势能项:

讲这一项做傅立叶变换到k空间,可得:

不难发现,由于这种CDW的作用,会使得不同k空间的模式出现混合,混合的不同k模式之间可以用一个矢量相连,这个矢量也叫Nesting Vector,如图1(a)中的虚线箭头。

我们不妨可以把这种混合写成矩阵的形式: 其中 对角化可得 .不难看出,当 时,原本单粒子谱没有gap,但是,CDW的存在拉出了一个gap。只是这个gap来源于由Nesting Vector连接的不同态。所以,当Nesting Vector连接的不同态能量接近,CDW nesting的效益会很明显。

回到2D 正方晶格的费米面。对于,化学势为0时,费米面如图1(a)红线,对于这些费米面对应的态 ,都存在 那么,这个时候的费米面会由于CDW的Nesting导致打开gap,而消失。

对于更一般的情况( 和费米面都不规则):如图2,由于一些其它序(可能是电荷密度波、自旋密度波等)Nesting,使得除了单体中良好定义的费米面S,还有被Nesting过的费米面S',S与S‘有交叠,并且交叠处能量近简并,此时费米面Nesting效应很强。该重叠处,称之为 hot spot。hot spot处除了拉开gap,还会有不一样的物理。

详细的背景和严格公式推导,可以看一下 Philip Phillips写的《Advanced Solid State Physics》中的16.4。