[論文レビュー] Theory of magnetic structure in layered iridates: spin-orbit band or Mott insulators

Jean-Michel Carter, Hae‐Young Kee|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2012

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、タイトバインディングモデルと有効ハッブルモデルを用いて、層状ストロンチウムイリジエート（Srₙ₊₁IrₙO₃ₙ₊₁）における金属-絶縁体転移を調査し、スピン-軌道結合がフェルミ準位近くのJeff = 1/2状態を安定化させることを示した。異なるn値に対して、ねじれた反強磁性絶縁体状態と共線反強磁性絶縁体状態の基底状態が得られ、弱い結合と強い結合の極限においても同一の磁気秩序が得られた。これは、磁気秩序そのものがMott物理学の証明にはならないことを示唆している。

ABSTRACT

We investigate the metal-insulator transition in the layered Ruddelsden Popper series of strontium iridates Srn+1IrnO3n+1. Tight-binding models of t2g orbitals for n = 1, 2, and infinity are constructed, and changes in band dispersion due to dimensionality and spin-orbit coupling are presented. Identifying the states near the Fermi level to be predominantly Jeff = 1/2, we use an effective Hubbard model to study the effect of correlations. Transitions from a metallic state to various magnetically ordered states at different critical interactions are obtained. A canted antiferromagnetic insulator is found for Sr2IrO4, a c-axis collinear antiferromagnetic insulator for Sr3Ir2O7, and non-coplanar canted antiferromagnetic insulator via magnetic metal for SrIrO3. We derive the strong-coupling spin-model and compare the magnetic ordering patterns obtained in the weak and strong coupling limits. We find that they are identical, indicating that magnetic ordering is not sufficient to justify Mott physics in this series of iridates.

研究の動機と目的

• Ruddelsden-Popper相イリジエート（Srₙ₊₁IrₙO₃ₙ₊₁）における次元性の変化に伴う金属-絶縁体転移を理解すること。
• スピン-軌道結合と電子相関が、磁気秩序および絶縁体状態の安定化に果たす役割を特定すること。
• 弱い結合と強い結合の極限における磁気秩序パターンを比較し、磁気秩序がMott物理学を示す根拠となるかどうかを評価すること。

提案手法

• SrIrO₃（n=1）、Sr₂IrO₄（n=2）、無限層極限（n=∞）におけるt2g軌道のタイトバインディングモデルを構築する。
• 強いスピン-軌道結合のおかげで、フェルミ準位近くの状態が主にJeff = 1/2であることが特定される。
• 電子相関効果と相転移を調べるため、有効ハッブルモデルを適用する。
• Mott絶縁体領域における磁気秩序パターンを分析するため、強い結合極限のスピン模型を導出する。
• 弱い結合（RPAに類似）と強い結合（スピンハミルトニアン）の両方の取り扱いから得られる磁気秩序を比較する。
• 対称性およびスピン構造因子の分析を用いて、異なるn値における磁気基底状態を分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次元性（n=1,2,∞）は、層状イリジエートにおけるバンド分散および電子構造にどのように影響するか？
• RQ2 強い電子相関下におけるSr₂IrO₄、Sr₃Ir₂O₇、SrIrO₃の磁気基底状態の性質は何か？
• RQ3 これらの系において、弱い結合と強い結合の極限で磁気秩序パターンに差異が生じるか？
• RQ4 磁気秩序そのものが、イリジエートにおけるMott絶縁体的挙動の証拠として用いられるのは妥当か？
• RQ5 スピン-軌道結合が、フェルミ準位近くの主要な自由度としてJeff = 1/2状態をどれほど安定化させるか？

主な発見

• スピン-軌道結合と電子相関の結果、Sr₂IrO₄ではねじれた反強磁性絶縁体状態が予測される。
• Sr₃Ir₂O₇では、c軸に沿った共線反強磁性絶縁体状態が得られ、実験的観察と整合的である。
• SrIrO₃（n=1）では、磁気金属相を経て、非平面的ねじれた反強磁性絶縁体状態が出現する。
• 弱い結合と強い結合の両極限において、磁気秩序パターンが同一であり、秩序の種類に質的変化がないことが示された。
• 両極限における磁気秩序の同一性は、磁気秩序そのものが、このクラスのイリジエートにおけるMott物理学を裏付けるには不十分であることを示唆している。