[論文レビュー] Universal size-dependent nonlinear charge transport in single crystals of the Mott insulator Ca$_2$RuO$_4$

Guerino Avallone, Remko Fermin+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 62被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、高純度Ca2RuO4単結晶におけるサイズ依存性の非線形電荷輸送を調査し、試料断面積が小さくなるにつれて、絶縁体-金属転移を駆動するために必要な電流密度が4桁増加することを明らかにした。微小なPt温度計を統合し、熱的シミュレーションを実施した結果、このサイズ依存性はジュール加熱によるものではなく、均一でない電流分布が非平衡相転移の主因であることが示された。

ABSTRACT

The surprisingly low current density required for inducing the insulator to metal transition has made Ca$_2$RuO$_4$ an attractive candidate material for developing Mott-based electronics devices. The mechanism driving the resistive switching, however, remains a controversial topic in the field of strongly correlated electron systems. Here we probe an uncovered region of phase space by studying high-purity Ca$_2$RuO$_4$ single crystals, using the sample size as principal tuning parameter. Upon reducing the crystal size, we find a four orders of magnitude increase in the current density required for driving Ca$_2$RuO$_4$ out of the insulating state into a non-equilibrium (also called metastable) phase which is the precursor to the fully metallic phase. By integrating a microscopic platinum thermometer and performing thermal simulations, we gain insight into the local temperature during simultaneous application of current and establish that the size dependence is not a result of Joule heating. The findings suggest an inhomogeneous current distribution in the nominally homogeneous crystal. Our study calls for a reexamination of the interplay between sample size, charge current, and temperature in driving Ca$_2$RuO$_4$ towards the Mott insulator to metal transition.

研究の動機と目的

• Ca2RuO4における絶縁体-金属転移（IMT）に必要な電流密度が試料サイズにどのように影響を受けるかを調査すること。
• IMTが電子的効果かジュール加熱かの論争を解消するため、熱的寄与と電流駆動寄与を分離すること。
• 超純粋でサイズ調整可能な単結晶を用いて、完全な金属状態に至る前の非平衡（力学的安定でない）相を調査すること。
• 微細加工されたPt温度計を用いて電流印加時の局所温度を直接測定し、熱的要因がサイズ依存性の原因でないことを除外すること。

提案手法

• 機械的剥離およびフォーカスドアイオントラブル（FIB）ミリングを用いて、0.5 µm²から0.5 mm²の断面積を有する39個の超純粋Ca2RuO4単結晶を調製した。
• ab面に電流を印加して電気的輸送測定を実施し、E(J)特性を用いて非平衡相への可逆的プローブを実施した。
• 電流の流れ中に局所温度を直接測定できるように、結晶内に微小なPt温度計（5–10 µm）を統合した。
• 測定された電力損失と固定された基板温度境界条件を用いて、COMSOL Multiphysicsを用いて熱的シミュレーションを実施した。
• 実際の電流密度が試料の縁から距離に応じてべき乗則で減少すると仮定する現象論的モデルを用いて、電流密度の不均一性をモデル化した。
• シミュレートされた温度分布と測定された局所温度を比較し、Ptセンサーが局所温度計としての正確性を有することを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 試料サイズが、Ca2RuO4が非平衡（力学的安定でない）相に遷移するための電流密度にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 観測された電流閾値のサイズ依存性は、ジュール加熱に起因するのか、それとも固有の電流不均一性に起因するのか？
• RQ3 直接的な局所温度測定により、熱的要因がサイズ依存性の転移閾値の原因でないことを除外できるか？
• RQ4 マイクロメートルスケールのCa2RuO4フラクタル断面における電流密度の空間的分布はいかなるものか？
• RQ5 XRDおよびラマンで観測された過去の非平衡相は、小さな結晶におけるマクロな電流-電圧応答とどのように関係しているか？

主な発見

• 試料断面積がミリスケールからマイクロスケール未満に減少するにつれて、非平衡相にアクセスするために必要な電流密度が4桁増加した。
• 微小なPt温度計は局所温度を正確に測定でき、局所温度と電力密度の間に一対一の対応関係が確認された。
• 熱的シミュレーションにより、性能指標（FOM）電流密度において、結晶内の温度変化が3 K未満であることが確認され、微小な温度勾配が生じていることが示された。
• 観測された電流閾値のサイズ依存性は、ジュール加熱では説明できない。局所温度上昇は、この効果の大きさを説明するには不十分であった。
• データは、電流密度が断面の縁から中心に向かって減少する不均一な電流分布によって最もよく説明される。
• 実際の電流密度（Jact ∝ l−a）が縁から距離に応じてべき乗則で減少すると仮定する現象論的モデルは、観測された見かけの電流密度（Japp ∝ A−a）のA−a依存性を再現でき、実験データと整合的であった。