[論文レビュー] Pressure-induced unusual metallic state in EuNiO$_3$

Hisao Kobayashi, Shugo Ikeda+8 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、放射線源を用いたX線回折および¹⁵¹Eu核フォワードスキャッタリングを用いて、反強磁性絶縁体EuNiO₃における圧力誘発量子相転移を調査した。約6 GPaで圧力誘発の絶縁体-金属転移が観察され、約10.5 GPaで磁気的量子臨界点が特定され、その周辺では非フェルミ液体行動（抵抗率 ∝ T¹.⁶）を示す、特異な反強磁性金属的状態が出現する。15 GPaを超えるとフェルミ液体状態に移行する。

ABSTRACT

The perovskite antiferromagnetic ($T_{ m N}$ $\sim$ 220 K) insulator EuNiO$_3$ undergoes at ambient pressure a metal-to-insulator transition at $T_{ m MI}$ = 460 K which is associated with a simultaneous orthorhombic-to-monoclinic distortion, leading to charge disproportionation. We have investigated the change of the structural and magnetic properties of EuNiO$_3$ with pressure (up to $\sim$ 20 GPa) across its quantum critical point (QCP) using low-temperature synchrotron angle-resolved x-ray diffraction and $^{151}$Eu nuclear forward scattering of synchrotron radiation, respectively. With increasing pressure we find that after a small increase of $T_{ m N}$ ($p$ $\leq$ 2 GPa) and the induced magnetic hyperfine field $B_{ m hf}$ at the $^{151}$Eu nucleus ($p$ $\leq$ 9.7 GPa), both $T_{ m N}$ and $B_{ m hf}$ are strongly reduced and finally disappear at $p_{ m c}$ $\cong$ 10.5 GPa, indicating a magnetic QCP at $p_{ m c}$. The analysis of the structural parameters up to 10.5 GPa reveals no change of the lattice symmetry within the experimental resolution. Since the pressure-induced insulator-to-metal transition occurs at $p_{ m IM}$ $\cong$ 6 GPa, this result implies the existence of an antiferromagnetic metallic state between 6 and 10.5 GPa. We further show from the analysis of the reported high pressure electrical resistance data on EuNiO$_3$ at low-temperatures that in the vicinity of the QCP the system behaves as non-Fermi-liquid, with the resistance changing as $T^{ m n}$, with n=1.6, whereas it becomes a normal Fermi-liquid, n = 2, for pressures above $\sim$15 GPa. On the basis of the obtained data a magnetic phase diagram in the ($p$, $T$) space is suggested.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるEuNiO₃の構造的・磁気的・電子的性質の進化を調査すること。
• 反強磁性絶縁体であるEuNiO₃に量子臨界点（QCP）が存在するか、その性質を特定すること。
• 高圧下の金属相においても電荷不均一化が継続するかを特定すること。
• 量子臨界点近傍での電子的挙動を、非フェルミ液体とフェルミ液体の領域に分けて分析すること。
• 実験データに基づいて、EuNiO₃の包括的な（圧力、温度）相図を構築すること。

提案手法

• 低温シンクロトロン角度分解X線回折を用いて、約20 GPaまでにわたる構造的変化および格子定数を測定した。
• ¹⁵¹Eu核フォワードスキャッタリング（NFS）を用いて、Eu核における磁気ハイパーフィールドを測定し、Niサブラティスの磁気秩序を局所的プローブとして用いた。
• Néel温度（T_N）およびハイパーフィールド（B_hf）の圧力依存性を抽出し、磁気的量子臨界点を特定した。
• 報告された低温電気抵抗率データを、べき乗則フィッティング R ∝ T^n を用いて分析し、非フェルミ液体（n ≈ 1.6）とフェルミ液体（n = 2）の挙動を分類した。
• 構造的パラメータの分析により、絶縁体-金属（IM）転移および量子臨界転移における対称性の変化や異常を検出した。
• X線、NFS、抵抗率データを統合し、(p, T)相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EuNiO₃の反強磁性絶縁体基底状態は高圧下でも維持されるか？ また、その崩壊が起こる圧力はどの程度か？
• RQ2 EuNiO₃に量子臨界点の証拠が存在するか？ その圧力位置は？
• RQ3 約6 GPaの絶縁体-金属転移と約10.5 GPaの磁気的QCPとの間で、電子的状態の性質は何か？
• RQ4 量子臨界点を越えて、抵抗率と温度の依存性（抵抗率 vs. 温度）はどのように変化するか？ これは基底状態の性質に何を示唆するか？
• RQ5 構造的および電子的データが示唆するように、高圧下の金属相でも電荷不均一化が継続するか？

主な発見

• EuNiO₃における絶縁体-金属転移は p_IM ≈ 6 GPa で発生し、実験的分解能内では格子定数に顕著な構造的異常は検出されなかった。
• Néel温度 T_N および ¹⁵¹Eu核における磁気ハイパーフィールド B_hf は圧力とともに単調に減少し、p_c ≈ 10.5 GPa で消失した。これは磁気的量子臨界点を示している。
• p_IM ≈ 6 GPa から p_c ≈ 10.5 GPa の間、磁気秩序が金属相に残存することから、反強磁性金属的状態が存在することが確認された。
• QCP近傍（10.5 GPa ≤ p ≤ 14.8 GPa）では、電気抵抗率が非フェルミ液体のべき乗則 R ∝ T^n（n = 1.6）に従った。
• 約15 GPaを超える圧力では、抵抗率がフェルミ液体挙動（n = 2）に従い、通常の準粒子行動の回復を示した。
• 解析から、電荷不均一化が金属相でもおそらく継続していると考えられ、IM転移において顕著な対称性の変化や構造的異常は検出されなかった。