[論文レビュー] Electronic phase separation in the doped spin-orbit driven Mott phase of Sr3(Ir1-xRux)2O7

Chetan Dhital, Tom Hogan+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、スピン軌道結合が強いJ=1/2モット絶縁体Sr3(Ir1-xRux)2O7にホールドーピングを施すと、クーロン反発Uが減少しても、キャリアが異なる領域に局在化するナノスケールの電子的相分離が生じることを明らかにした。臨界ドーピング濃度を超えると、局在的および拡散的電子領域の共存によって駆動されるパーコレーション的金属-絶縁体転移が安定化し、反強磁性金属相が出現する。これは、5d系であってもキャリアの局在化とUが本質的であることを示しており、3dモット系と類似した振る舞いを示している。

ABSTRACT

Interest in many strongly spin-orbit coupled 5d-transition metal oxide insulators stems from mapping their electronic structures to a J=1/2 Mott phase. One of the hopes is to establish their Mott parent states and explore these systems' potential of realizing novel electronic states upon carrier doping. However, once doped, little is understood regarding the role of their reduced Coulomb interaction U relative to their strongly correlated 3d-electron cousins. Here we show that, upon hole-doping a candidate J=1/2 Mott insulator, carriers remain localized within a nanoscale phase separated ground state. A percolative metal-insulator transition occurs with interplay between localized and itinerant regions, stabilizing an antiferromagnetic metallic phase beyond the critical region. Our results demonstrate a surprising parallel between doped 5d- and 3d-electron Mott systems and suggest either through the near degeneracy of nearby electronic phases or direct carrier localization that U is essential to the carrier response of this doped spin-orbit Mott insulator.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合を示す5d遷移金属酸化物の電子的応答を理解すること、特にそのモット絶縁体母体状態の文脈において。
• 5d系におけるクーロン反発Uの低減が、ホールドーピングによるキャリアダイナミクスおよび電子的相の安定性に与える影響を調査すること。
• ドーピングされた5dモット系が、相分離や局在化に関して、3d系と類似した振る舞いを示すかどうかを特定すること。
• スピン軌道結合駆動モット絶縁体にドーピングを施した場合に、反強磁性金属などの新しい電子的相がどのように出現するかを調査すること。

提案手法

• Sr3(Ir1-xRux)2O7におけるルーテニウム置換を用いてホールドーピングを行い、キャリア濃度を調整し、電子的相の進化を調査した。
• 輸送測定を用いて、ナノスケールの相分離に関連するパーコレーション的金属-絶縁体転移を同定した。
• 磁気的および電子的応答データの解析により、臨界ドーピング閾値を超えた領域で反強磁性金属相が安定化することを検出した。
• 観察されたキャリアの局在化および相挙動を、既知の3dモット系と比較することで、スピン軌道結合系におけるUの役割を評価した。
• 空間的に不均一な電子的応答マッピングを通じて、局在的および拡散的電子領域の相互作用を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr3(Ir1-xRux)2O7におけるホールドーピングは、J=1/2モット絶縁体の電子的相の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 5d系におけるクーロン反発Uの低減は、キャリアの局在化および相分離にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 ドーピングされた5d系は、3dモット系と同様にパーコレーション的金属-絶縁体転移を示すか？
• RQ4 臨界ドーピング領域を超えた電子的相の性質は何か、そして通常の金属的状態とはどのように異なるか？
• RQ5 Uが、強力なスピン軌道結合を示すモット絶縁体においても、キャリア応答を決定づける根本的役割を果たしているとされるか？

主な発見

• Sr3(Ir1-xRux)2O7におけるホールドーピングは、Uが減少してもキャリアが局在化するナノスケールの電子的相分離を引き起こす。
• 局在的および拡散的電子領域の共存によって駆動されるパーコレーション的金属-絶縁体転移が観察された。
• 臨界ドーピング濃度を超えると反強磁性金属相が出現し、金属的状態における長距離磁気秩序の安定化を示している。
• 本系は3dモット系と驚くべき類似性を示しており、5d材料であってもUがキャリア応答の主要な決定要因のままであることが示唆された。
• 結果から、競合する電子的相の準縮退または直接的なキャリア局在化が電子的挙動を支配している可能性が示され、Uの本質的役割が強調された。