We investigate novel phases that emerge from the interplay of electron correlations and strong spin-orbit interactions. We focus on describing the topological semimetal, a three-dimensional phase of a magnetic solid, and argue that it may be realized in a class of pyrochlore iridates (such as ${\mathrm{Y}}_{2}$Ir${}_{2}$O${}_{7}$) based on calculations using the $\text{LDA}+U$ method. This state is a three-dimensional analog of graphene with linearly dispersing excitations and provides a condensed-matter realization of Weyl fermions that obeys a two-component Dirac equation. It also exhibits remarkable topological properties manifested by surface states in the form of Fermi arcs, which are impossible to realize in purely two-dimensional band structures. For intermediate correlation strengths, we find this to be the ground state of the pyrochlore iridates, coexisting with noncollinear magnetic order. A narrow window of magnetic ``axion'' insulator may also be present. An applied magnetic field is found to induce a metallic ground state.

Weyl and Dirac semimetals are three dimensional phases of matter with gapless electronic excitations that are protected by topology and symmetry. As three dimensional analogs of graphene, they have generated much recent interest. Deep connections exist with particle physics models of relativistic chiral fermions, and -- despite their gaplessness -- to solid-state topological and Chern insulators. Their characteristic electronic properties lead to protected surface states and novel responses to applied electric and magnetic fields. Here we review the theoretical foundations of these phases, their proposed realizations in solid state systems, recent experiments on candidate materials, as well as their relation to other states of matter.

The theory of second-order phase transitions is one of the foundations of modern statistical mechanics and condensed-matter theory. A central concept is the observable order parameter, whose nonzero average value characterizes one or more phases. At large distances and long times, fluctuations of the order parameter(s) are described by a continuum field theory, and these dominate the physics near such phase transitions. We show that near second-order quantum phase transitions, subtle quantum interference effects can invalidate this paradigm, and we present a theory of quantum critical points in a variety of experimentally relevant two-dimensional antiferromagnets. The critical points separate phases characterized by conventional “confining” order parameters. Nevertheless, the critical theory contains an emergent gauge field and “deconfined” degrees of freedom associated with fractionalization of the order parameters. We propose that this paradigm for quantum criticality may be the key to resolving a number of experimental puzzles in correlated electron systems and offer a new perspective on the properties of complex materials.

Spontaneous symmetry breaking is a fundamental concept in many areas of physics, ranging from cosmology and particle physics to condensed matter. A prime example is the breaking of spatial translation symmetry, which underlies the formation of crystals and the phase transition from liquid to solid. Analogous to crystals in space, the breaking of translation symmetry in time and the emergence of a "time crystal" was recently proposed, but later shown to be forbidden in thermal equilibrium. However, non-equilibrium Floquet systems subject to a periodic drive can exhibit persistent time-correlations at an emergent sub-harmonic frequency. This new phase of matter has been dubbed a "discrete time crystal" (DTC). Here, we present the first experimental observation of a discrete time crystal, in an interacting spin chain of trapped atomic ions. We apply a periodic Hamiltonian to the system under many-body localization (MBL) conditions, and observe a sub-harmonic temporal response that is robust to external perturbations. Such a time crystal opens the door for studying systems with long-range spatial-temporal correlations and novel phases of matter that emerge under intrinsically non-equilibrium conditions.

In material systems with several interacting degrees of freedom, the complex interplay between these factors can give rise to exotic phases; now superlattices consisting of alternating layers of PbTiO3 and SrTiO3 are found to exhibit an unusual form of ferroelectric ordering in the PbTiO3 layers, in which the electric dipoles arrange themselves into regular, ordered arrays of vortex–antivortex structures. In material systems with several interacting degrees of freedom (such as spin, charge and lattice distortions), the complex interplay between these factors can give rise to exotic phases. A vivid example of such behaviour has been identified by Ramamoorthy Ramesh and colleagues in superlattices consisting of alternating layers of PbTiO3 and SrTiO3. They observe the formation of an unusual form of ferroelectric ordering in the PbTiO3 layers, in which the electric dipoles arrange themselves into regular vortex–antivortex array structures, suggesting potential routes for further tuning and enhancing the properties of these versatile oxide materials. The complex interplay of spin, charge, orbital and lattice degrees of freedom provides a plethora of exotic phases and physical phenomena1,2,3,4,5. In recent years, complex spin topologies have emerged as a consequence of the electronic band structure and the interplay between spin and spin–orbit coupling in materials6,7. Here we produce complex topologies of electrical polarization—namely, nanometre-scale vortex–antivortex (that is, clockwise–anticlockwise) arrays that are reminiscent of rotational spin topologies6—by making use of the competition between charge, orbital and lattice degrees of freedom in superlattices of alternating lead titanate and strontium titanate layers. Atomic-scale mapping of the polar atomic displacements by scanning transmission electron microscopy reveals the presence of long-range ordered vortex–antivortex arrays that exhibit nearly continuous polarization rotation. Phase-field modelling confirms that the vortex array is the low-energy state for a range of superlattice periods. Within this range, the large gradient energy from the vortex structure is counterbalanced by the corresponding large reduction in overall electrostatic energy (which would otherwise arise from polar discontinuities at the lead titanate/strontium titanate interfaces) and the elastic energy associated with epitaxial constraints and domain formation. These observations have implications for the creation of new states of matter (such as dipolar skyrmions, hedgehog states) and associated phenomena in ferroic materials, such as electrically controllable chirality.

We present the critical theory of a number of zero-temperature phase transitions of quantum antiferromagnets and interacting boson systems in two dimensions. The most important example is the transition of the $S=1∕2$ square lattice antiferromagnet between the N\'eel state (which breaks spin rotation invariance) and the paramagnetic valence bond solid (which preserves spin rotation invariance but breaks lattice symmetries). We show that these two states are separated by a second-order quantum phase transition. This conflicts with Landau-Ginzburg-Wilson theory, which predicts that such states with distinct broken symmetries are generically separated either by a first-order transition, or by a phase with co-existing orders. The critical theory of the second-order transition is not expressed in terms of the order parameters characterizing either state, but involves fractionalized degrees of freedom and an emergent, topological, global conservation law. A closely related theory describes the superfluid-insulator transition of bosons at half filling on a square lattice, in which the insulator has a bond density wave order. Similar considerations are shown to apply to transitions of antiferromagnets between the valence bond solid and the ${Z}_{2}$ spin liquid: the critical theory has deconfined excitations interacting with an emergent $\mathrm{U}(1)$ gauge force. We comment on the broader implications of our results for the study of quantum criticality in correlated electron systems.

Topological materials (TMs) showcase intriguing physical properties defying expectations based on conventional materials, and hold promise for the development of devices with new functionalities. While several theoretically proposed TMs have been experimentally confirmed, extensive experimental exploration of topological properties as well as applications in realistic devices have been held back due to the lack of excellent TMs in which interference from trivial Fermi surface states is minimized. We tackle this problem in the present work by applying our recently developed method of symmetry indicators to all non-magnetic compounds in the 230 space groups. An exhaustive database search reveals thousands of TM candidates. Of these, we highlight the excellent TMs, the 258 topological insulators and 165 topological crystalline insulators which have either noticeable full band gap or a considerable direct gap together with small trivial Fermi pockets. We also give a list of 489 topological semimetals with the band crossing points located near the Fermi level. All predictions obtained through standard generalized gradient approximation (GGA) calculations were cross-checked with the modified Becke-Johnson (MBJ) potential calculations, appropriate for narrow gap materials. With the electronic and optical behavior around the Fermi level dominated by the topologically non-trivial bands, these newly found TMs candidates open wide possibilities for realizing the promise of TMs in next-generation electronic devices.

A remarkable recent experiment has observed Mott insulator and proximate superconductor phases in twisted bilayer graphene when electrons partly fill a nearly flat miniband that arises a “magic” twist angle. However, the nature of the Mott insulator, the origin of superconductivity, and an effective low-energy model remain to be determined. We propose a Mott insulator with intervalley coherence that spontaneously breaks U(1) valley symmetry and describe a mechanism that selects this order over the competing magnetically ordered states favored by the Hund’s coupling. We also identify symmetry-related features of the nearly flat band that are key to understanding the strong correlation physics and constrain any tight-binding description. First, although the charge density is concentrated on the triangular-lattice sites of the moiré pattern, the Wannier states of the tight-binding model must be centered on different sites which form a honeycomb lattice. Next, spatially localizing electrons derived from the nearly flat band necessarily breaks valley and other symmetries within any mean-field treatment, which is suggestive of a valley-ordered Mott state, and also dictates that additional symmetry breaking is present to remove symmetry-enforced band contacts. Tight-binding models describing the nearly flat miniband are derived, which highlight the importance of further neighbor hopping and interactions. We discuss consequences of this picture for superconducting states obtained on doping the valley-ordered Mott insulator. We show how important features of the experimental phenomenology may be explained and suggest a number of further experiments for the future. We also describe a model for correlated states in trilayer graphene heterostructures and contrast it with the bilayer case.Received 4 June 2018Revised 13 August 2018DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031089Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasSuperconductivityPhysical SystemsGrapheneMott insulatorsCondensed Matter, Materials & Applied Physics

Twisted Bilayer graphene (TBG) is known to feature isolated and relatively flat bands near charge neutrality, when tuned to special magic angles. However, different criteria for the magic angle such as the vanishing of Dirac speed, minimal bandwidth or maximal band gap to higher bands typically give different results. Here we study a modified continuum model for TBG which has an infinite sequence of magic angles $\theta$ at which, we simultaneously find that (i) the Dirac speed vanishes (ii) absolutely flat bands appear at neutrality and (iii) bandgaps to the excited bands are maximized. When parameterized in terms of $\alpha\sim 1/\theta, $ they recur with the simple periodicity of $\Delta \alpha \simeq 3/2$, which, beyond the first magic angle, differs from earlier calculations. Further, in this model we prove that the vanishing of the Dirac velocity ensures the exact flatness of the band and show that the flat band wave functions are related to doubly-periodic functions composed of ratios of theta functions. Also, using perturbation theory up to $\alpha^8$ we capture important features of the first magic angle $\theta\approx1.09^{\circ}$ ($\alpha \approx 0.586$), which precisely explains the numerical results. Finally, based on our model we discuss the prospects for observing the second magic angle in TBG.

We define and analyze quantum computational variants of random walks on one-dimensional lattices. In particular, we analyze a quantum analog of the symmetric random walk, which we call the Hadamard walk. Several striking differences between the quantum and classical cases are observed. For example, when unrestricted in either direction, the Hadamard walk has position that is nearly uniformly distributed in the range [-t/\sqrt 2, t/\sqrt 2] after t steps, which is in sharp contrast to the classical random walk, which has distance O(\sqrt t) from the origin with high probability. With an absorbing boundary immediately to the left of the starting position, the probability that the walk exits to the left is 2/&pgr, and with an additional absorbing boundary at location n, the probability that the walk exits to the left actually increases, approaching 1/\sqrt 2 in the limit. In the classical case both values are 1.