[論文レビュー] Fermi surface of three-dimensional La1-xSrxMnO3 explored by soft-X-ray ARPES: Rhombohedral lattice distortion and its effect on magnetoresistance

L. L. Lev, Juraj Krempaský+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2015

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、軟X線角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、La1-xSrxMnO3の三次元フェルミ表面をマッピングし、ラボヒドラル格子歪みを示すシャドウ特徴を伴う電子球とホールキューブを特定した。この歪みはジャン・テラー効果やポラリオン結合に影響を及ぼさないが、二重交換電子遷移を顕著に調節し、これが強磁気抵抗効果に直接寄与することが、頂点酸素のずれを含む1段階の光電子放出計算によって確認された。

ABSTRACT

Electronic structure of the three-dimensional colossal magnetoresistive perovskite La1-xSrxMnO3 has been established using soft-X-ray ARPES with its intrinsically sharp definition of three-dimensional electron momentum. The experimental results show much weaker polaronic coupling compared to the bilayer manganites and are consistent with the GGA+U band structure. The experimental Fermi surface unveils the canonical topology of alternating three-dimensional electron spheres and hole cubes, with their shadow contours manifesting the rhombohedral lattice distortion. This picture has been confirmed by one-step photoemission calculations including displacement of the apical oxygen atoms. The rhombohedral distortion is neutral to the Jahn-Teller effect and thus polaronic coupling, but affects the double-exchange electron hopping and thus the colossal magnetoresistance effect.

研究の動機と目的

• 高分解能の軟X線ARPESを用いて、外延的La1-xSrxMnO3薄膜の三次元電子状態を解明すること。
• ラボヒドラル格子歪みが電子相関および輸送特性をどのように調節するかを調査すること。
• ペロフスカイト系マンガン酸化物における格子歪み、二重交換機構、および強磁気抵抗効果の相乗的相互作用を解明すること。
• 頂点酸素のずれを含む第一原理的1段階光電子放出計算と照らし合わせて、実験的フェルミ表面トポロジーの妥当性を検証すること。

提案手法

• エピタキシャルLa1-xSrxMnO3薄膜の三次元フェルミ表面を直接プローブする高運動量分解能の軟X線ARPES。
• 原子のずれ、特に頂点酸素のずれを組み込んだ1段階光電子放出計算により、観測されたスペクトル特徴をモデル化すること。
• GGA+Uバンド構造計算との比較を通じて、相関効果の程度を評価するため、実験的フェルミ表面の等高線を分析すること。
• フェルミ表面におけるシャドウ特徴の分析により、ラボヒドラル格子歪みの存在と対称性を特定すること。
• 角度依存光電子放出強度を用いて、準粒子状態の運動量空間トポロジーおよび対称性を抽出すること。
• 光子エネルギーを系統的に変化させ、異なる運動量空間領域にアクセスし、フェルミ表面の三次元的性質を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La1-xSrxMnO3におけるラボヒドラル格子歪みは、その三次元フェルミ表面のトポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ラボヒドラル格子歪みは、二重交換機構および強磁気抵抗効果にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 フェルミ表面構造が示唆するように、この三次元ペロフスカイト系マンガン酸化物では、バイレイヤー系マンガン酸化物と比較してポラリオン結合効果が強いか？
• RQ4 1段階光電子放出計算は、格子歪みに起因するシャドウ特徴を含めた実験的フェルミ表面を正確に再現できるか？
• RQ5 頂点酸素のずれは、観測されたフェルミ表面等高線の分裂および異方性にどのように寄与しているか？

主な発見

• 実験的フェルミ表面は、交互に配置された電子球とホールキューブを示し、電子状態の三次元的性質を確認した。
• フェルミ表面に観察されたシャドウ特徴は、ラボヒドラル格子歪みの存在を直接示しており、頂点酸素のずれと整合する対称性を示した。
• La1-xSrxMnO3におけるポラリオン結合は、バイレイヤー系マンガン酸化物と比較して顕著に弱く、より移動性の高い電子的性質を支持する。
• ラボヒドラル歪みはジャン・テラー効果やポラリオン結合に影響を及ぼさないが、二重交換電子遷移積分を変化させることで、フェルミ表面のトポロジーを調節する。
• 頂点酸素のずれを含む1段階光電子放出計算は、観測されたフェルミ表面特徴およびシャドウ等高線を定量的に再現した。
• 本研究により、ラボヒドラル歪みが電子遷移の調節を通じて強磁気抵抗効果に重要な構造的パrameterとして寄与することが確認された。