[論文レビュー] Spin Orbit Coupling Assistant Correlated Semimetal SrIrO3: at two-Dimensional Scale

Lunyong Zhang, Y. B. Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、二次元正方晶SrIrO3膜を対象とし、スピン軌道結合と電子相関が共同して、小さな電子およびホールポケットを有する半金属状態を駆動することを示した。基板の歪み工学と膜厚制御を通じて、この系はトポロジカルおよび磁気的相を自在に制御可能であり、極薄膜限界においては斜めに整列した反強磁性絶縁体への転移を示し、酸化物を基盤とするトポロジカル量子材料の可能性を示している。

ABSTRACT

Spin orbit coupling provides a mechanism to lock the momentum of electron to its spin degree, recent years was revealed to be essential in arousing many novel physical behaviors. SrIrO3 is a typical metallic member of the strong spin orbit coupling iridate family. Its orthorhombic phase was confirmed as a particular spin orbit coupling assistant electron correlated semimetal with small electron and hole pockets, and was supposed to host versatile topological phases, with prospect of opening a new topological matter field based on oxides. The existing experiments have demonstrated that orthorhombic SrIrO3 can be easily synthesized at two dimensional scale films under the substrate lattice constraint, and the films display Fermi-liquid behavior in high temperature and generally two dimensional weak localization resulted metal insulator transition. The properties of orthorhombic SrIrO3 film are sensitive to the rotation and tilting angle, as well as the interlayer coupling of the IrO6 octahedras, consequently can be tuned through substrate strain engineering and size scale. For example, the film was approached a state similar to Sr2IrO4 at the ultrathin limit to several unit cell, becoming a canted antiferromagnetic semiconductor/insulator. The existing knowledges suggest urgent demands of researches on the superlattices constructed with orthorhombic SrIrO3, for further understanding the evolution mechanism of the electron structure, and so the relevant magnetic state and topological phases in the orthorhombic SrIrO3 and its family.

研究の動機と目的

• 格子制約下における二次元正方晶SrIrO3膜の電子的およびトポロジカル的性質を理解すること。
• 次元が低下した状態における相関電子系としての半金属状態において、スピン軌道結合と電子相関がどのように相互作用するかを調査すること。
• 歪み工学と膜厚制御を通じて、磁気的およびトポロジカル相のチューニングを検討すること。
• SrIrO3膜が絶縁体または半導体状態（例：斜めに整列した反強磁性相）に転移する条件を特定すること。
• 新たな量子相を発現させるためのSrIrO3スーパーラティスの設計基盤を確立すること。

提案手法

• 基板の格子に一致する条件での外延膜成長を用いて、二次元正方晶SrIrO3を安定化すること。
• 格子整合性のある基板を用いた歪み工学により、層間結合およびIrO6オクタヘドロンのねじれを調整すること。
• 電気的輸送特性の測定を通じて、高温でのフェルミ液体行動と2次元での弱局在を同定すること。
• 特に極薄膜限界（数ユニットセル）における膜厚に伴う電子構造の進化を分析すること。
• SrIrO3膜の電子的挙動をSr2IrO4と比較し、相転移を特定すること。
• 理論的モデリングを用いて、スピン軌道結合がトポロジカル半金属状態を安定化する役割を解釈すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合と電子相関が、二次元SrIrO3においてどのように半金属状態を共同で安定化するか？
• RQ2 基板に起因する歪みが、SrIrO3膜の電子構造および磁気的秩序に与える影響は何か？
• RQ3 SrIrO3膜の膜厚が、金属から絶縁体への転移および斜めに整列した反強磁性の出現にどのように影響するか？
• RQ4 IrO6オクタヘドロンのねじれ角および回転角を制御することで、SrIrO3におけるトポロジカル相を制御可能か？
• RQ5 SrIrO3スーパーラティスが、新しいトポロジカル状態または量子スピン液体様状態を実現する条件は何か？

主な発見

• 二次元正方晶SrIrO3膜は、高温でフェルミ液体行動を示し、一貫した準粒子状態が存在することを示している。
• 膜は2次元的弱局在を示しており、量子干渉効果およびトポロジカル保護の可能性を示している。
• 極薄膜限界（数ユニットセル）において、SrIrO3はSr2IrO4と類似した斜めに整列した反強磁性絶縁体状態に近づく。
• SrIrO3膜の電子的性質は、基板の歪み、ねじれ角、およびIrO6オクタヘドロンの回転角に非常に敏感である。
• エピタキシャル歪みを用いることで、SrIrO3における層間結合およびオクタヘドロンの歪みを調整可能であり、電子相関およびスピン軌道結合の制御が可能になる。
• この系は小さな電子およびホールポケットを有しており、トポロジカル秩序の可能性を有する相関半金属的基底状態であると示唆している。