Optical properties and interaction effects of Dirac materials

Abstract

Topological semimetals with point or line band touchings have emerged as a new frontier in condensed matter study. Electrons near touching points behave as massless Dirac fermions, and thus they exhibit many fascinating and exotic properties. Motivated by this, this thesis is devoted to studying the physics of such Dirac materials.

We begin by investigating optical behaviors of nodal line and multi-Weyl semimetals. For nodal line semimetals, we find that the low-frequency conductivity has a rich spectral structure which can be understood using scaling rules derived from the geometry of the Fermi surface. For multi-Weyl semimetals, we show that the frequency dependence of optical conductivities obeys scaling relations that are derived from the winding number. For both of these materials, we discuss possible experimental implications of our results, suggesting that they can serve as a guidance for optical experiments.

Then we turn to interaction-induced phenomena, particularly focusing on collective modes and their couplings with phonons. We first study plasmon modes in multi-Weyl semimetals within random approximation approximation. We find that chirality-induced interband transitions redshift plasma frequencies. As a result, plasmons in multi-Weyl semimetals remain undamped over a broad range of density and interaction strength. Then, we investigate the coupling between plasmons and the surface polar phonons of the underlying substrate through the long-range polar Frohlich interaction. We find that the strong coupling between the SO phonon and the plasmon leads to a new decay channel for the quasiparticles through the emission of the coupled mode and gives rise to an abrupt increase in the scattering rate, which is absent in the uncoupled system.

위상 준금속에서는 물질의 전도띠와 원자가띠가 선이나 점을 이루면서 만난다. 두 띠가 만나는 지점에서 전자는 질량이 없는 디락입자처럼 행동하기 때문에 디락 물질에서는 기존 물질에서 볼 수 없는 많은 특이한 현상이 나타나게 된다. 본 논문에서는 이러한 디락 물질의 물리적 특성에 기인한 물리적 현상에 대하여 연구하였다.

첫째로 다중 바일 준금속과 선마디 준금속의 광학적 특성에 대해서 연구하였다. 선마디 준금속의 광학적 특성이 페르미면의 기하학적인 구조 및 띠간 전이(interband transition)가 가능한 위상 공간(phase space)의 기하학적인 구조에 따라 크게 바뀔 수 있음을 보였다. 또한 저주파수 영역의 광학전도도의 멱급수 법칙이 페르미면의 구조에 따라 달라질 수 있음을 보였다. 다중 바일 준금속에서는 저주파수 영역에서 광학전도도의 멱급수 법칙이 감음수에 따라 바뀜을 보였다. 결과가 실험적으로 관측될 수 있음을 논의하였고 해당 관측 결과가 광학실험에서 디락 물질의 구조를 파악하는데 중요한 지표가 될 수 있음을 제시하였다.

또한 본 논문에서는 디락 물질내에서 일어나는 상호작용에 의해서 나타나는 현상에 대해서 연구하였다. 특히 플라즈몬 및 플라즈몬과 포논의 결합에 대해서 연구하였다. 우선 다중 바일 준금속에서 플라즈몬이 갖는 특성을 Random Phase Approximation를 이용하여 얻었다. 이를 통해 다중 바일 준금속의 카이럴리티(chirality)가 플라즈몬 주파수를 적색편이 시킬 수 있음을 보이고 그 결과로 다중 바일 준금속에서 플라즈몬의 란다우 감소(Landau damping)이 일어나지 않음을 보였다. 또한 그래핀의 플라즈몬과 그래핀 기판의 표면 포논이 결합하였 때 생겨나는 준입자 산란에서의 변화에 대해서 연구하였다. 그 결과 플라즈몬-포논 모드의 방출을 통한 새로운 산란 매커니즘이 존재함을 보였다.