[論文レビュー] Discovery of nanoscale phase coexistence of heavy Fermi-liquid and metallic spin-liquid in geometrically frustrated Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$

Mariam Kavai, Joel M. Friedman+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

走査トンネル顕微鏡と機械学習解析を用いて、量子臨界点に近いPr₂Ir₂O₇において、重いフェルミ液体状態と金属的スピン液体状態のナノスケールでの相共存を同定した。量子臨界点近くで、べき乗則的相関を示すフラクタルに類似した空間的パターンが観測され、空間的ポテンシャルの変動がKondoエンタングルメントと幾何学的縮退を調整することで金属的スピン液体を安定化させ得ることを示唆している。

ABSTRACT

The interplay of spin-orbit interaction and geometric frustration of local Ir spins drives the long-range magnetic order in pyrochlore iridate family, R$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ (R = lanthanide), into a paramagnetic state at near-zero temperatures. Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ lies at a tuning-free quantum critical point and exhibits a diverse array of complex phenomena including an underscreened Kondo effect, biquadratic band structure, metallic spin-liquid (MSL), and anomalous Hall effect$^{2-5}$. Using spectroscopic imaging with the scanning tunneling microscope, complemented with machine learning K-means clustering analysis, density functional theory, and theoretical modeling, we probe the electronic states in single crystal of Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ and discover an unprecedented nanoscale electronic phase separation. Regions of heavy Fermi-liquid (HFL) with a well-defined Kondo resonance are interweaved with a non-magnetic metallic phase with Kondo-destruction that is suggestive of the candidate MSL. Remarkably, the spatial nanoscale patterns display a correlation-driven fractal geometry with power-law behavior extended over two and a half decades, consistent with being in proximity to a critical point. Our discovery reveals a new nanoscale tuning route to realize a MSL, viz. using a spatial variation of the electronic potential as a means of adjusting the balance between Kondo entanglement and geometric frustration.

研究の動機と目的

• 量子臨界点に近いペロブスカイト型イリジドPr₂Ir₂O₇の電子的基底状態を調査すること。
• 重いフェルミ液体と金属的スピン液体といった競合する量子相がナノスケールで共存するメカニズムを解明すること。
• 空間的電子不均一性が金属的スピン液体状態の出現を駆動しているかどうかを特定すること。
• Kondoスクリーニングと幾何学的縮退が量子スピン液体行動を安定化させる役割を明らかにすること。
• 電子構造の空間的相関を用いて、顕在する臨界現象を同定すること。

提案手法

• 単結晶Pr₂Ir₂O₇の局所的電子状態をマップするために、走査トンネル顕微鏡を用いた分光像取得を実施した。
• STMデータからの空間的に不均一な電子相の分類のために、非教師あり機械学習（K-meansクラスタリング）を適用した。
• 電子構造のモデル化と観察された相の妥当性を検証するために、密度汎関数理論計算を実施した。
• Kondoスクリーニングと幾何学的縮退の相乗作用を解釈するための理論的モデリングを実施した。
• 電子相の空間的相関を分析し、べき乗則的挙動とフラクタル幾何学を検出することを目的とした。
• Kondo共鳴とKondo破壊領域の分布をマッピングし、金属的スピン液体の兆候を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pr₂Ir₂O₇におけるナノスケールでの電子的相共存の性質は何か？
• RQ2 Kondoエンタングルメントと幾何学的縮退が、どのように金属的スピン液体状態を安定化させるか？
• RQ3 共存する相の空間的相関構造は何か？ また、臨界スケーリングを示すか？
• RQ4 電子ポテンシャルの空間的変動が、Kondoスクリーニングとスピンの縮退のバランスを調整できるか？
• RQ5 電子的不均一性が、量子臨界点近くでの金属的スピン液体の出現をどのように駆動しているか？

主な発見

• 重いフェルミ液体（明確なKondo共鳴を示す）と、金属的スピン液体を示唆する非磁性金属的相のナノスケールでの相共存が観測された。
• これらの相の空間的配置は、長さスケールにおいて2.5デケードにわたるべき乗則的相関を示すフラクタル幾何学的構造を示している。
• 観測されたナノスケールのパターンは、量子臨界点に近い状態と整合的である。
• Kondoスクリーニングが抑制されている（Kondo破壊）領域は、金属的スピン液体候補相と空間的に相関している。
• 電子ポテンシャルのランドスケープが、金属的スピン液体状態の安定化における主要な調整パrameterであることが特定された。
• Kondoエンタングルメントと幾何学的縮退の相互作用は、空間的不均一性によって媒介されており、量子スピン液体形成の新たな経路を提供する。