[論文レビュー] Optical study of the metal-insulator transition in CuIr$_2$S$_4$ crystals

NL Wang, GH Cao+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2004

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、赤外分光法を用いてCuIr₂S₄単結晶における金属-絶縁体転移（MIT）を調査し、MITは構造的再構成に起因し、Ir³⁺/Ir⁴⁺オクタマーの形成とスピンダマーダイマー化を伴うことを明らかにした。主な発見は、0.15 eVの光学ギャップが急激に開き、スピンダマーダイマー化したIr⁴⁺準位間の遷移から0.5 eVのピークが出現することであり、これはMott転移ではなくバンド構造の再構成であることを確認した。

ABSTRACT

We present measurements of the optical spectra on single crystals of spinel-type compound \cis. This material undergoes a sharp metal-insulator transition at 230 K. Upon entering the insulating state, the optical conductivity shows an abrupt spectral weight transfer and an optical excitation gap opens. In the metallic phase, Drude components in low frequencies and an interband transition peak at $\sim 2 eV$ are observed. In the insulating phase, a new peak emerges around $0.5 eV$. This peak is attributed to the transition of electrons from the occupied Ir$^{3+}$ $t_{2g}$ state to upper Ir$^{4+}$ $t_{2g}$ subband resulting from the dimerization of Ir$^{4+}$ ions in association with the simultaneous formations of Ir$^{3+}$ and Ir$^{4+}$ octamers as recently revealed by the x-ray diffraction experiment. Our experiments indicate that the band structure is reconstructed in the insulating phase due to the sudden structural transition.

研究の動機と目的

• 230 Kで観測される一階級金属-絶縁体転移（MIT）の電子的起源を理解すること。
• 高品質単結晶を用いた光学分光法により、MITに伴う電子構造の変化を調査すること。
• MITが電荷秩序、スピンダマーリング、またはバンド再構成のいずれに起因するかを特定すること。
• 最近のX線回折結果（Ir₈³⁺およびIr₈⁴⁺オクタマーの存在）と光学応答を関連付けること。
• 絶縁相における光学ギャップの性質と低エネルギー励起の起源を明確にすること。

提案手法

• 100〜28000 cm⁻¹の波数範囲で、Bruker 66v/S FTIR分光計を用いて、単結晶の垂直入射反射率測定を実施した。
• 反射率データをKramers＝Kronig変換により光学伝導度スペクトルを導出し、低周波数域ではHagen-Rubens外挿法、高エネルギー域ではω⁻⁴依存性を適用した。
• 小型で薄い結晶に対して信頼性の高いデータを得るため、インサイト・オーバーコating技術を用いた。
• 500 cm⁻¹以上の周波数では単結晶、遠赤外領域ではモザイク試料からのデータを収集した。
• 金属的応答および帯間遷移をモデル化するため、2つのドレープ成分と1つのローレンツ振動子を用いてスペクトルをフィッティングした。
• 光学ギャップは、低周波数域における伝導度上昇端をゼロに外挿することで推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 230 Kで急激に発生する金属-絶縁体転移の原因は何か？
• RQ2 特にIr 5dバンドの電子構造がMITに伴ってどのように再構成されるか？
• RQ3 絶縁相に出現する新たな0.5 eVピークの起源は何か？
• RQ4 光学伝導度は温度に応じてどのように変化し、ギャップの性質を何が示唆するか？
• RQ5 MITは電荷秩序、スピンダマーリング、あるいは構造的および電子的不安定性の組み合わせによって駆動されるか？

主な発見

• 金属相における光学伝導度は、プラズマ周波数が約7000 cm⁻¹および約20000 cm⁻¹の2つのドレープ成分を示し、混合されたIr t₂gおよびS 3p状態を含む多帯伝導を示している。
• 230 Kで絶縁相に移行する際、0.15 eV（1200 cm⁻¹）の鋭い光学ギャップが開き、直流抵抗率測定と整合的である。
• 絶縁相に新たなピークが約0.5 eVに出現し、スピンダマーリングしたIr⁴⁺イオンによって形成された上位のIr⁴⁺ t₂g準位への、占有状態のIr³⁺ t₂gからの遷移に起因するとされる。
• 約2 eVのβ成分は両相で維持され、占有状態のIr t₂gから空状態のIr e_gバンドへの遷移に割り当てられており、T_MI以上でも空状態のe_g状態が存在することを示唆している。
• MITは構造的歪みと直接関連しており、Ir₈³⁺およびIr₈⁴⁺オクタマーが明確な絶縁クラスターを形成し、スピンダマーリングがパウリ常磁性を抑制している。
• 10 Kから228 Kの範囲でギャップエネルギーはほぼ一定であり、これは温度による幅の拡大ではなく、構造的転移に起因する基底状態の性質であることを示している。