Two relativistic Kondo effects; Classification with particle and antiparticle impurities

2種類の相対論的近藤効果; 粒子/反粒子不純物を用いた分類

荒木 康史   ; 末永 大輝*; 鈴木 渓   ; 安井 繁宏*

Araki, Yasufumi; Suenaga, Daiki*; Suzuki, Kei; Yasui, Shigehiro*

本論文では、不純物自由度の性質によって類別される二種類の相対論的近藤効果について、理論的考察を行う。特に、軽いディラックフェルミオンと重い不純物フェルミオンから構成される「凝縮」を含む基底状態の分散関係に注目する。ここでの重いフェルミオン自由度は、高エネルギー物理学においてヘビークォーク有効理論(HQET)として知られている有効理論(すなわち、ディラックフェルミオンに対して非相対論的極限をとることで得られる低エネルギー有効理論)を用いて記述される。ここでは二種類のHQETを採用し、一つ目のHQETは重いフェルミオンの粒子成分のみを含み、二つ目のHQETは粒子成分と反粒子成分の両方を含む(粒子と反粒子は逆のパリティを持つ)。これらの二つの有効理論から定性的に異なる二種類の近藤効果が現れることを示す。二種類の近藤効果を比較すると、フェルミ面近傍における(近藤効果としての)性質は類似している一方、運動量が小さい領域(赤外領域)のバンド構造は異なることが分かる。これらの近藤効果はディラック/ワイル反金属やクォーク物質における観測量に影響するだけでなく、格子シミュレーションや冷却原子シミュレーションによって数値的に検証されることが期待される。

We investigate two different types of relativistic Kondo effects, distinguished by heavy-impurity degrees of freedom, by focusing on the energy-momentum dispersion relations of the ground state with condensates composed of a light Dirac fermion and a nonrelativistic impurity fermion. Heavy fermion degrees of freedom are introduced in terms of two types of heavy-fermion effective theories, in other words, two heavy-fermion limits for the heavy Dirac fermion, which is known as the heavy-quark effective theories (HQETs) in high-energy physics. While the first one includes only the heavy-particle component, the second one contains both the heavy-particle and heavy-antiparticle components, which are opposite in their parity. From these theories, we obtain two types of Kondo effects, in which the dispersions near the Fermi surface are very similar, but they differ in the structure at low momentum. We also classify the possible forms of condensates in the two limits. The two Kondo effects will be examined by experiments with Dirac/Weyl semimetals or quark matter, lattice simulations, and cold-atom simulations.