[論文レビュー] Tuning the electronic properties of J_eff=1/2 correlated semimetal in epitaxial perovskite SrIrO3

Jian Liu, J.-H. Chu+12 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、エpitaxialなペロブスカイトSrIrO3におけるひずみ駆動電子的性質を実証し、高い可変性を示す電子-正孔対称性を持つ$J_{\rm eff}=1/2}$相関的半金属であることを明らかにした。エpitaxialひずみを適用することで、研究者たちはフェルミ面のサイズとキャリア有効質量を制御し、引張ひずみが電子-正孔対称性および相関を強化するのに対し、圧縮ひずみが強い非対称性を引き起こすことを示した。これにより、5d酸化物におけるトポロジカル量子状態を設計する道筋が開かれた。

ABSTRACT

We investigated the electronic properties of epitaxially stabilized perovskite SrIrO3 and demonstrated the effective strain-control on its electronic structure. Comprehensive transport measurements showed that the strong spin-orbit coupling renders a novel semimetallic phase for the J_eff=1/2 electrons rather than an ordinary correlated metal, elucidating the nontrivial mechanism underlying the dimensionality-controlled metal-insulator transition in iridates. The electron-hole symmetry of this correlated semimetal was found to exhibit drastic variation when subject to bi-axial strain. Under compressive strain, substantial electron-hole asymmetry is observed in contrast to the tensile side, where the electron and hole effective masses are comparable, illustrating the susceptivity of the J_eff=1/2 to structural distortion. Tensile strain also shrinks the Fermi surface, indicative of an increasing degree of correlation which is consistent with optical measurements. These results pave a pathway to investigate and manipulate the electronic states in spin-orbit-coupled correlated oxides, and lay the foundation for constructing 5d transition metal heterostructures.

研究の動機と目的

• ボトム状態では不安定であるが、単結晶エpitaxialペロブスカイトSrIrO3薄膜を安定化すること。
• SrIrO3の$J_{\rm eff}=1/2}$状態における強いスピン軌道結合(SOC)と電子相関の相乗作用を解明すること。
• エpitaxialひずみがこの相関的半金属の電子構造および輸送特性に与える影響を調査すること。
• $J_{\rm eff}=1/2}$状態がひずみによって電子-正孔対称性と相関性が可変可能であるかどうかを特定すること。
• トポロジカルおよび相関的量子相を調整可能な5d遷移金属酸化物ヘテロ構造の設計基盤を確立すること。

提案手法

• バイアススレート（STO, DSO, GSO, NSO）に格差がある基板上にエpitaxial薄膜を成長させ、二軸ひずみを誘導した。
• ひずみおよび温度の関数として、キャリア密度、移動度、ホール係数（$R_{\rm H}$）を抽出するために包括的な輸送測定を実施した。
• 0.3–1.3 eV範囲の帯間光学遷移を調べるために、赤外分光法（FTIR）を用いた。$J_{\rm eff}=3/2}$から$J_{\rm eff}=1/2}$への遷移ピークを同定した。
• 反射率ピーク位置のひずみ誘起変化を、バンドオーバーラップおよびモットギャップの進化と関連づけた。
• 理論的分析により、観測された輸送および光学的応答が相関度および電子-正孔対称性の破れの度合いと関連していることを示した。
• 格子不整合を系統的に変化させ、テトラゴナル歪みを調整することで、$J_{\rm eff}=1/2}$バンドの電子構造を制御した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エpitaxialひずみは、SrIrO3の$J_{\rm eff}=1/2}$相関的半金属における電子-正孔対称性をどのように調整するか？
• RQ2 スピン軌道結合および電子相関は、エpitaxialなSrIrO3における半金属相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 ひずみは、$J_{\rm eff}=1/2}$バンドにおけるフェルミ面のサイズおよびキャリア有効質量にどのように影響するか？
• RQ4 光学および輸送測定から示されるように、引張ひずみは電子-正孔対称性および相関性をどの程度強化するか？
• RQ5 モット転移は、$J_{\rm eff}=1/2}$状態のひずみ工学によってプローブおよび制御可能か？

主な発見

• エpitaxialなSrIrO3における$J_{\rm eff}=1/2}$バンドは、輸送測定により確認された小スケールキャリア密度を示し、半金属的挙動を示した。
• 圧縮ひずみ下では、電子と正孔の非対称性が顕著に増大し、電子の移動度が正孔よりも著しく高くなった。
• 引張ひずみにより、電子と正孔の有効質量の差が小さくなり、電子-正孔対称性が向上した。
• フェルミ面は引張ひずみ下で収縮し、バンドオーバーラップの減少および相関性の増大を示しており、光学測定と整合的であった。
• 約0.7 eVの帯間光学遷移ピークは、引張ひずみ下で50 meV高エネルギー側にシフトし、バンド分離およびモットギャップの増大を示した。
• ピークシフトは相関性の増強およびモット絶縁体状態への近接を示唆し、状態密度の抑制または局在化したパッチの存在を示唆している。