[論文レビュー] Persistent insulating behavior in 5d transition metal oxides Sr2IrO4 and Sr3Ir2O7 at high pressures

D. A. Zocco, J. J. Hamlin+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、5dイリジウム酸化物Sr2IrO4およびSr3Ir2O7における高圧下電気抵抗率を調査し、Sr2IrO4では55 GPaまで絶縁体としての挙動が持続すること、Sr3Ir2O7では104 GPaまでギャップエネルギーと抵抗が著しく低下することを明らかにした。これは金属-絶縁体転移に近い状態であることを示唆している。結果は、強い電子相関とスピン-軌道結合が極限的圧力下でも絶縁状態を安定化させる役割を果たしていることを強調している。

ABSTRACT

Iridium-based 5d transition-metal oxides are attractive candidates for the study of correlated electronic states due to the interplay of enhanced crystal-field, Coulomb and spin-orbit interaction energies. At ambient pressure, these conditions promote a novel Jeff = 1/2 Mott insulating state, characterized by a gap of the order of ~0.1 eV. We present high-pressure electrical resistivity measurements of single crystals of Sr2IrO4 and Sr3Ir2O7. While no indications of a pressure-induced metallic state up to 55 GPa were found in Sr2IrO4, a strong decrease of the gap energy and of the resistance of Sr3Ir2O7 between ambient pressure and 104 GPa confirm that this compound is in the proximity of a metal-insulator transition.

研究の動機と目的

• 5d遷移金属酸化物Sr2IrO4およびSr3Ir2O7が極限的圧力下で示す電子的応答を調査すること。
• 強い電子相関を持つこれらの系において、高圧が金属-絶縁体転移を誘発するかどうかを特定すること。
• 強いスピン-軌道結合と電子相関のもとで、Jeff = 1/2 Mott絶縁状態が圧力下でも安定しているかを検討すること。
• 圧力上昇に伴うギャップエネルギーおよび抵抗の変化を定量的に評価すること、特にSr3Ir2O7に注目すること。

提案手法

• Sr2IrO4およびSr3Ir2O7の単結晶を用いて、最大104 GPaまで立方体アンビルプレスを用いた高圧電気抵抗率測定を実施した。
• Sr2IrO4については大気圧から55 GPaまで、Sr3Ir2O7については104 GPaまで測定を実施し、電子的転移を調査した。
• 金属的伝導の兆候やギャップ閉じの有無を検出するために、抵抗率の挙動を分析した。
• 理論的予測である圧力誘起金属-絶縁体転移を、実験データと照合して検証した。
• 抵抗率の傾向と温度依存性から、Mottギャップエネルギーの変化を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気圧下で強いスピン-軌道結合とMott絶縁状態を示すSr2IrO4において、高圧が金属状態を誘起するか？
• RQ2 Sr3Ir2O7のMottギャップは圧力上昇に伴いどのように変化するか？104 GPaまでにギャップが閉じるか？
• RQ3 Sr3Ir2O7は圧力下で金属-絶縁体転移の量子臨界点に近いか？
• RQ4 強い電子相関とスピン-軌道結合が、極限的圧力下での絶縁状態の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 抵抗率測定のみで、これらの5d酸化物における金属的挙動の始まりを検出できるか？

主な発見

• 55 GPaまでに、Sr2IrO4では圧力誘起金属状態の兆候が観測されず、極端な圧縮下でも頑健な絶縁体としての挙動を示した。
• Sr3Ir2O7の抵抗率は圧力上昇に伴い著しく低下し、Mottギャップの抑制が示唆された。
• 大気圧から104 GPaまでの間で、Sr3Ir2O7のMottギャップエネルギーに顕著な低減が観察され、金属-絶縁体転移に近い状態であることが示された。
• Sr3Ir2O7の抵抗率挙動には、回復や金属的上昇の兆しなしであり、連続的なギャップ抑制を支持する。
• 結果は、Sr3Ir2O7が量子臨界点の付近に位置している一方で、Sr2IrO4は圧力下でも安定なMott絶縁体のままであることを示している。
• Sr2IrO4における絶縁体としての挙動の持続は、高圧下でもJeff = 1/2状態の安定性を強調している。