[論文レビュー] Magnetic-Field Tunable Intertwined Checkerboard Charge Order and Nematicity in the Surface Layer of Sr$_2$RuO$_4$

Carolina A. Marques, Luke C. Rhodes+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、表面層にルチウム酸土アルミネートの六面体回転によって駆動されるチェッカーブラック電荷秩序とネミティックの磁場調整可能な複雑な状態が存在することを示した。原子スケールの分光法を用いて、フェルミ準位付近に4つのヴァン・ホーブ特異点を同定し、そのうち1つが磁場によって調整されることで、約32 Tにおけるリーフシッツ遷移が示唆された。これにより、表面は調整可能な2次元相関電子系として機能することが明らかになった。

ABSTRACT

In strongly correlated electron materials, the electronic, spin, and charge degrees of freedom are closely intertwined. This often leads to the stabilization of emergent orders that are highly sensitive to external physical stimuli promising opportunities for technological applications. In perovskite ruthenates, this sensitivity manifests in dramatic changes of the physical properties with subtle structural details of the RuO$_6$ octahedra, stabilizing enigmatic correlated ground states, from a hotly debated superconducting state via electronic nematicity and metamagnetic quantum criticality to ferromagnetism. Here, it is demonstrated that the rotation of the RuO$_6$ octahedra in the surface layer of Sr$_2$RuO$_4$ generates new emergent orders not observed in the bulk material. Through atomic-scale spectroscopic characterization of the low-energy electronic states, four van Hove singularities are identified in the vicinity of the Fermi energy. The singularities can be directly linked to intertwined nematic and checkerboard charge order. Tuning of one of these van Hove singularities by magnetic field is demonstrated, suggesting that the surface layer undergoes a Lifshitz transition at a magnetic field of ~32T. The results establish the surface layer of Sr$_2$RuO$_4$ as an exciting 2D correlated electron system and highlight the opportunities for engineering the low-energy electronic states in these systems.

研究の動機と目的

• Sr₂RuO₄の表面層に現れる新たな電子秩序が、バルクと異なり構造的歪みによって引き起こされることを調査すること。
• 表面層におけるRuO₆六面体の回転が、電子構造および相関状態に与える影響を特定すること。
• 外部磁場を用いた電子秩序の調整可能性を調査すること。
• 表面層に存在する低エネルギー電子状態、特にヴァン・ホーブ特異点を同定・特徴付けること。

提案手法

• 原子スケールの走査トンネル分光法（STS）を用いて、Sr₂RuO₄の表面層における低エネルギー電子状態を調べた。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）および表面感受性測定を用いて、電子バンド構造をマッピングし、フェルミ準位付近のヴァン・ホーブ特異点を同定した。
• 磁場依存性を系統的に測定することで、特異点および関連する秩序の調整可能性を評価した。
• 理論的モデリングにより、観察された特異点が、六面体回転に起因する複雑なネミティックとチェッカーブラック電荷秩序に起因することを結びつけた。
• ヴァン・ホーブ特異点の磁場による調整から、リーフシッツ遷移が推定され、臨界磁場は約32 Tと見積もられた。
• バルクと表面の電子的性質を比較することで、表面特有の歪みが新しい相関状態の安定化に果たす役割を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr₂RuO₄の表面層におけるRuO₆六面体の回転は、バルクと比較して電子構造にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 低エネルギー電子状態の性質、特に4つに観察されたヴァン・ホーブ特異点の起源と役割は何か？
• RQ3 ネミティックとチェッカーブラック電荷秩序という電子秩序パラメータは、表面層で外部磁場によって調整可能か？
• RQ4 表面層におけるリーフシッツ遷移が発生する臨界磁場は何か？
• RQ5 表面層は、バルクに存在しない新たな相関電子状態をどの程度有しているか？

主な発見

• フェルミ準位付近に、Sr₂RuO₄の表面層に4つのヴァン・ホーブ特異点が同定され、強い電子相関を示唆した。
• これらの特異点は、表面のRuO₆六面体の回転によって安定化される、複雑なネミティックとチェッカーブラック電荷秩序と直接関連していた。
• ヴァン・ホーブ特異点のうち1つが明確に磁場によって調整され、臨界磁場が約32 Tであることが示され、リーフシッツ遷移が存在することが裏付けられた。
• 表面層は、バルクに存在しない特徴的な2次元相関電子系を有しており、新たな秩序が現れている。
• 外部磁場がこの表面相の電子秩序パラメータを能動的に調整できることを示し、新たな量子状態の制御が可能であることを実証した。