[論文レビュー] Microscopic Route to Nematicity in Sr3Ru2O7

Christoph M. Puetter, Jeffrey G. Rau+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、t2g軌道、スピン軌道結合、RuO6八面体の回転を含むタイトバインディング模型に基づき、Sr3Ru2O7におけるネマチック秩序の微視的メカニズムを提案する。この模型により、フェルミ準位付近にヴァン・ホーブ特異性が生成され、ネマチック相は強磁性秩序とネマチック秩序の競合から生じる。特に、最近接相互作用が、主に(±π,0)および(0,±π)付近のdxy支配のγ2バンドにおける異方的なフェルミ表面歪みを引き起こし、強磁性を抑制することで、ネマチック秩序が優位になる。

ABSTRACT

An anisotropic metallic phase dubbed electronic nematic phase bounded by two consecutive metamagnetic transitions has been reported in the bilayer ruthenate Sr3Ru2O7. It has also been shown that the nematic and the accompanying metamagnetic transitions are driven by an effective momentum-dependent quadrupole-type interaction. Here, we study the microscopic origin of such an effective interaction. To elucidate the mechanism behind the spontaneous Fermi surface distortion associated with the nematic, we identify a simple tight binding model based on t2g orbitals, spin-orbit coupling and the rotation of RuO6 octahedra as starting point, consistent with the Fermi surface obtained from recent angle-resolved photoemission data. Within an extended Hubbard model the nematic state, characterized by an anisotropy between the bands near $(\pm π,0)$ and $(0,\pm π)$, then strongly competes with ferromagnetic order but pre-empts it via a finite nearest neighbor interaction. We discuss experimental means to confirm our proposal.

研究の動機と目的

• Sr3Ru2O7における電子的ネマチック秩序の微視的起源を特定すること。これは、2つのメタ磁性転移の間で観測される。
• ネマチック秩序を駆動する有効な運動量依存型四極子相互作用を、t2g軌道とスピン軌道結合に基づく現実的な電子バンド構造と調和させること。
• 強い局所的反発が強磁性を強く好むにもかかわらず、なぜネマチック秩序が強磁性秩序よりも先に現れるのかを説明すること。
• スキャントンネル顕微鏡や量子揺らぎといった実験的テストを提案し、本メカニズムを代替的な軌道秩序状態と区別すること。

提案手法

• t2g軌道（dxy、dxz、dyz）を用いた1層のタイトバインディング模型を構築し、スピン軌道結合とRuO6八面体の回転に起因するユニットセルの二重化を含む。
• 最近接遷移、局所的クーロン相互作用（U）、および軌道間相互作用（V）を含み、ARPESで得られたフェルミ表面トポロジーを再現するようにパラメータを調整する。
• ネマチック状態は、(±π,0)および(0,±π)点間の準粒子密度の異方性として特徴づけられ、順序パラメータ ∑k[cos(kx)−cos(ky)]n_k で記述される。
• 多軌道 Hubbard模型を用いて競合する不安定性を研究し、平均場理論を適用してネマチック、強磁性、スピンネマチックチャネルを分析する。
• 縮小ブリユアンゾーンのコーナー付近に存在するヴァン・ホーブ特異性（vHS）が、ネマチック感受性を高める主要因であることを分析する。
• 二層結合を検討したが、ネマチック秩序に与える影響は小さいことが判明。したがって、焦点は1層有効模型に置かれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタ磁性転移に近接し、異方的抵抗が観測される中で、Sr3Ru2O7におけるネマチック状態を生成する微視的メカニズムは何か？
• RQ2 スピン軌道結合、八面体の回転、およびt2g軌道の混合が、ネマチック秩序を好むヴァン・ホーブ特異性をどのように生成するのか？
• RQ3 強い局所的反発が強磁性を強く好むにもかかわらず、なぜネマチック秩序が強磁性秩序よりも先に現れるのか？
• RQ4 競合する不安定性の存在下で、最近接相互作用がどのようにネマチック秩序が強磁性を上回るのを可能にするのか？
• RQ5 本メカニズムは、準1次元的軌道秩序に基づく代替的提案とどのように実験的に区別できるか？

主な発見

• ネマチック相は、主に(±π,0)および(0,±π)付近でdxy軌道が支配するγ2バンドにおける異方的フェルミ表面歪みによって駆動される。
• 局所的同一軌道反発は強磁性秩序を強く好むが、局所的異軌道相互作用は、強磁性およびスピンネマチックチャネルよりもわずかにネマチック秩序を好む。
• 最近接相互作用は、電荷およびスピンネマチック感受性を顕著に増幅させ、ネマチック転移が強磁性秩序の発現よりも先に起こることを可能にする。
• スピン軌道結合と八面体の回転の組み合わせにより、ゾーンのコーナー付近にフェルミ準位付近に平坦なバンドとヴァン・ホーブ特異性が生成され、ネマチック秩序に対する感受性が著しく高まる。
• 本模型は、最近の角度分解光電子効果（ARPES）データと整合する観測可能なフェルミ表面トポロジーを再現する。
• スキャントンネル顕微鏡や量子揺らぎといった実験的プローブを提案し、本dxy駆動ネマチックメカニズムを代替的な軌道秩序状態と区別できる。