[論文レビュー] Dimensional crossover of the electronic structure in LaNiO3 ultrathin films: Orbital reconstruction, Fermi surface nesting, and the origin of the metal-insulator transition

Hyang Keun Yoo, Seung Hyun+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2013

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、原子層スケールの厚さ制御を施したLaNiO3薄膜の電子構造を、in situ 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて調査し、約3ユニットセルの厚さで次元的クロスオーバーが観測された。金属-絶縁体転移の主な駆動要因として、軌道再構築と強化されたフェルミ面ネスティングが特定され、1ユニットセル薄膜における絶縁的挙動の原因としてアンドリュー・ローカリゼーションが示唆された。これは、フェルミ面が明確に観測されるにもかかわらず、絶縁的挙動を示すという矛盾を説明するものである。

ABSTRACT

Dimensionality control in the LaNiO3 (LNO) heterostructure has attracted attention due to its two-dimensional (2D) electronic structure was predicted to have an orbital ordered insulating ground state, analogous to that of the parent compound of high-Tc cuprate superconductors [P. Hansmann et al., Phys. Rev. Lett. 103, 016401 (2009)]. Here, we directly measured the electronic structure of LNO ultrathin films using in situ angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). We recognized the dimensional crossover of the electronic structure around 3-unit cells (UC)-thick LNO film and observed the orbital reconstruction. However, complete orbital ordering was not achieved. Instead, we observed that the Fermi surface nesting effect became strong in the 2D LNO ultrathin film. These results indicated that the orbital reconstruction should be described by taking into account the strong nesting effect to search for the novel phenomena, such as superconductivity in 2D LNO heterostructure. In addition, the APRES spectra showed that the Fermi surface existed down to a 1-UC-thick film, which showed insulating behavior in transport measurements. We suggested that the metal-insulator transition in the transport properties may originate from Anderson localization.

研究の動機と目的

• 薄膜の厚さを2次元極限にまで減少させた際のLaNiO3超薄膜における電子構造の進化を理解すること。
• 軌道再構築とフェルミ面ネスティングが金属-絶縁体転移をどのように駆動するかを調査すること。
• 1ユニットセル薄膜においてARPESで観測されたフェルミ面と、その絶縁的輸送挙動との間にある顕著な矛盾を解明すること。
• 金属-絶縁体転移が電子相関効果か局在化効果に起因するかを特定すること。

提案手法

• 原子層スケールの厚さ制御が可能なLaNiO3薄膜の電子バンド構造を直接プローブするため、in situ 角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 薄膜は1〜5ユニットセルの厚さを有するSTO基板上に成長され、次元的クロスオーバーの系統的評価が可能となった。
• 熱的ボーディングを回避し、表面感度を保持するために、室温でARPES測定が実施された。
• フェルミ面ネスティングは、フェルミ準位近傍の電子状態の運動量空間分布をマッピングすることで分析された。
• 軌道再構築は、電子構造内におけるNi 3d由来バンドの分裂と分散の追跡によって評価された。
• 輸送測定とARPESデータを照合することで、電子構造とマクロな電気的挙動の比較がなされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜の厚さが3ユニットセル未満に減少する際、LaNiO3の電子構造はどのように変化するか？
• RQ2 超薄膜における軌道再構築はどの程度進行し、電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 1ユニットセルのLaNiO3薄膜はなぜフェルミ面がARPESで明確に観測されるにもかかわらず、絶縁的輸送挙動を示すのか？
• RQ4 超薄膜における金属-絶縁体転移は、電子相関効果か局在化効果によって引き起こされるのか？

主な発見

• LaNiO3薄膜の電子構造に、約3ユニットセルの厚さで次元的クロスオーバーが観測された。これは、3次元的性質から2次元的性質へのバンド分散の遷移を示している。
• 軌道再構築が検出されたが、完全な軌道秩序は達成されず、対称性の破れが不完全であることが示された。
• フェルミ面ネスティングは2次元薄膜において顕著に強化され、特に3ユニットセル領域で顕著であった。これは、電荷密度波または超伝導不安定性への傾向を示唆している。
• 1ユニットセル薄膜においてもARPESでフェルミ面が明確に観測された。これはフェルミ準位に金属的状態が存在することを示している。
• フェルミ面が観測されたにもかかわらず、1ユニットセル薄膜は絶縁的輸送挙動を示した。これは、金属-絶縁体転移がモット転移や軌道秩序効果ではなく、アンドリュー・ローカリゼーションによって駆動されていることを示唆している。
• 本結果は、2次元LaNiO3異質エピタキシャル構造の電子相図を理解するには、フェルミ面ネスティングと局在化効果を併せて考慮する必要があることを示唆している。