[論文レビュー] Low-energy electronic properties of clean CaRuO$_3$: elusive Landau quasiparticles

Manuel K. Schneider, D. Geiger+9 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 13, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、残留抵抗比が最大55に達する高品質なエpitaxial CaRuO₃薄膜を報告し、異常に低いコherenceスケールを示す壊れやすいフェルミ液体基底状態を明らかにした。低エネルギー輸送およびTHz分光法により、2–25 Kの範囲で非フェルミ液体的挙動（T^{3/2}抵抗率）と、0.6 THz以上の周波数で非ドレーブ型の光学応答が観測され、清浄で相関の強い電子的構造を有するにもかかわらず、CaRuO₃は光学的非フェルミ液体物理学のプロトタイプ系であることが示された。

ABSTRACT

We have prepared high-quality epitaxial thin films of CaRuO$_3$ with residual resistivity ratios up to 55. Shubnikov-de Haas oscillations in the magnetoresistance and a $T^2$ temperature dependence in the electrical resistivity only below 1.5 K, whose coefficient is substantially suppressed in large magnetic fields, establish CaRuO$_3$ as a Fermi liquid (FL) with anomalously low coherence scale. Non-Fermi liquid (NFL) $T^{3/2}$ dependence is found between 2 and 25 K. The high sample quality allows access to the intrinsic electronic properties via THz spectroscopy. For frequencies below 0.6 THz, the conductivity is Drude-like and can be modeled by FL concepts, while for higher frequencies non-Drude behavior, inconsistent with FL predictions, is found. This establishes CaRuO$_3$ as a prime example of optical NFL behavior in the THz range.

研究の動機と目的

• 高品質なエpitaxial薄膜を用いて、CaRuO₃におけるT^{3/2}抵抗率が内在的な電子相関に起因するのか、不純物に起因するのかを解明する。
• 高精度な輸送測定およびTHz分光法を用いて、CaRuO₃の低エネルギー電子状態を調査し、フェルミ液体的および非フェルミ液体的挙動を区別する。
• 弱い電子相関強さ（U ≲ W）であるが、強い電子相関を示す系において、スピンフラクチュエーションおよびコherenceスケールの役割を特定する。
• THz帯域での光学応答と理論予測を比較することで、フェルミ液体理論の妥当性を検証する。

提案手法

• パルスレーザー蒸着法を用いてエpitaxial CaRuO₃薄膜を成長させ、不純物効果を最小限に抑えるために残留抵抗比（RRR）が最大55に達する高品質な薄膜を実現した。
• シュービニコフ＝ド・ハース量子振動を測定し、低温領域におけるフェルミ面を抽出し、準粒子の存在を確認した。
• 低温における電気抵抗率を測定し、1.5 K未満でT²のフェルミ液体的挙動と、2–25 Kの間でT^{3/2}の非フェルミ液体的領域を特定した。
• テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）を用いて、さまざまな温度で0.1～1.5 THzの周波数範囲における光学伝導度の実部（σ₁）を測定した。
• 理論的モデリングには、ベルソードらの局所的フェルミ液体アプローチを用い、周波数依存の自己エネルギーと不純物散乱を組み込んだ。実験データとσ₁の比較に用いた。
• 非ドレーブ型の光学応答を高周波数領域でフィットするため、NFL温度依存の散乱率（1/τ_D ∝ aT^{3/2} + 1/τ₀）を有する単純なドレーブモデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い局所的クーロン相互作用を示すCaRuO₃において、T^{3/2}抵抗率は内在的な電子相関に起因するのか、不純物に起因するのか？
• RQ2 THz帯域における観測された非ドレーブ型の光学応答はフェルミ液体理論と整合するのか、それとも準粒子像の崩壊を示唆するのか？
• RQ3 CaRuO₃における真のコherenceスケールT_FLは何か？また、磁場に対してどのように応答するか？
• RQ4 磁気的量子臨界点に近接するにもかかわらず、高品質なエpitaxial薄膜が壊れやすいフェルミ液体基底状態を示すことができるか？
• RQ5 強いスピンフラクチュエーションを示す系において、頂点補正および非局所的効果は光学伝導度にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 残留抵抗比RRR = 55の高品質なエpitaxial CaRuO₃薄膜を達成し、不純物散乱のない内在的電子的性質にアクセス可能となった。
• シュービニコフ＝ド・ハース振動により、明確に定義された準粒子の存在が確認され、フェルミ面の抽出が可能となり、T < 1.5 Kでフェルミ液体状態が確認された。
• 抵抗率は1.5 K未満でT²に従い、2–25 Kの間でT^{3/2}に従うことが判明し、量子臨界点付近に非フェルミ液体的領域が存在することが示された。
• コherenceスケールT_FLは磁場の増加に伴い急激に増加し、スピンフラクチュエーションとの強い結合を示した。
• 0.6 THz未満のTHz伝導度はフェルミ液体理論の予測に一致するドレーブ型の挙動を示したが、0.6 THzを超える領域では散乱率の強い周波数依存性が観測され、フェルミ液体理論とは整合しない。
• 光学伝導度データは、ベルソードらの局所的フェルミ液体モデルが予測する特徴的な非ドレーブ型プラトーを示さず、発現周波数も温度に比例しないことが判明した。これは、光学領域における局所的フェルミ液体記述の崩壊を示唆している。