[논문 리뷰] Discovery of nanoscale phase coexistence of heavy Fermi-liquid and metallic spin-liquid in geometrically frustrated Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$

Mariam Kavai, Joel M. Friedman외 13명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 12.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 1

한 줄 요약

스캐닝 턨널링 현미경과 기계학습 분석을 통해, 이 연구는 프라세오디뮴 이리디드 Pr₂Ir₂O₇에서 중량 페르미-액체 상태와 금속성 스핀-액체 상태의 나노스케일 상공존을 발견하였으며, 양자临계점 근처에서 거칠기 유사 공간 패턴과 비율 법칙 관련성을 드러내어, 공간적 잠재력 변화가 코니 효과 얽힘과 기하학적 과도함을 조절하여 금속성 스핀-액체를 안정화시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The interplay of spin-orbit interaction and geometric frustration of local Ir spins drives the long-range magnetic order in pyrochlore iridate family, R$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ (R = lanthanide), into a paramagnetic state at near-zero temperatures. Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ lies at a tuning-free quantum critical point and exhibits a diverse array of complex phenomena including an underscreened Kondo effect, biquadratic band structure, metallic spin-liquid (MSL), and anomalous Hall effect$^{2-5}$. Using spectroscopic imaging with the scanning tunneling microscope, complemented with machine learning K-means clustering analysis, density functional theory, and theoretical modeling, we probe the electronic states in single crystal of Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ and discover an unprecedented nanoscale electronic phase separation. Regions of heavy Fermi-liquid (HFL) with a well-defined Kondo resonance are interweaved with a non-magnetic metallic phase with Kondo-destruction that is suggestive of the candidate MSL. Remarkably, the spatial nanoscale patterns display a correlation-driven fractal geometry with power-law behavior extended over two and a half decades, consistent with being in proximity to a critical point. Our discovery reveals a new nanoscale tuning route to realize a MSL, viz. using a spatial variation of the electronic potential as a means of adjusting the balance between Kondo entanglement and geometric frustration.

연구 동기 및 목표

• Pr₂Ir₂O₇의 전자 기저 상태를 양자 임계점 근처의 흑연형 이리디드에서 연구하기 위해.
• 중력적 양자상이 경쟁하는 나노스케일에서의 상공존, 특히 중량 페르미-액체와 금속성 스핀-액체를 해결하기 위해.
• 공간적 전자 비균일성이 금속성 스핀-액체 상태의 발생을 이끄는지 확인하기 위해.
• 코니 스크리닝과 기하학적 과도함이 양자 스핀-액체 행동을 안정화시키는 데 수행하는 역할을 탐색하기 위해.
• 전자 구조의 공간적 상관관계를 통해 잠재적인 임계 현상의 특성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정 Pr₂Ir₂O₇의 국소 전자 상태를 맵핑하기 위해 스펙트로스코픽 영상 촬영을 수행한 스캐닝 터널링 현미경을 사용하였다.
• STM 데이터로부터 공간적으로 비균일한 전자 상을 분류하기 위해 비지도 기계학습(K-means 군집화)을 적용하였다.
• 전자 구조를 모델링하고 관측된 상의 타당성을 검증하기 위해 밀도함수이론 계산을 수행하였다.
• 코니 스크리닝과 기하학적 과도함의 상호작용을 해석하기 위한 이론적 모델링을 수행하였다.
• 전자 상의 공간적 상관관계를 분석하여 비율 법칙 행동과 거칠기 기하학을 탐지하였다.
• 코니 공명과 코니 파괴 영역의 분포를 맵핑하여 금속성 스핀-액체의 특징을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pr₂Ir₂O₇에서 나노스케일에서 전자 상공존의 성격은 무엇인가?
• RQ2 코니 얽힘과 기하학적 과도함은 어떻게 상호작용하여 금속성 스핀-액체 상태를 안정화하는가?
• RQ3 공존하는 상의 공간적 상관관계는 어떻게 구성되어 있으며, 임계 스케일링을 나타내는가?
• RQ4 전자 잠재력의 공간적 변동은 코니 스크리닝과 스핀 과도함의 균형을 조절할 수 있는가?
• RQ5 전자 비균일성이 양자 임계점 근처에서 금속성 스핀-액체의 발생을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 중량 페르미-액체(명확한 코니 공명가 포함)와 비자기적 금속성 상이 금속성 스핀-액체를 암시하는 비자기적 금속성 상의 나노스케일 상공존이 관측되었다.
• 이러한 상의 공간적 배열은 길이 척도에서 두 개 반 세기 이상에 걸쳐 비율 법칙 관련성을 보이는 거칠기 기하학을 나타낸다.
• 관측된 나노스케일 패턴은 양자 임계점에 가까이 있음을 시사한다.
• 코니 파괴 영역(코니 스크리닝 억제를 나타냄)은 금속성 스핀-액체 후보 상과 공간적으로 상관관계가 있다.
• 전자 잠재력 구조는 금속성 스핀-액체 상태를 안정화시키는 핵심 조절 매개변수로 규명되었다.
• 코니 얽힘과 기하학적 과도함의 상호작용은 공간적 비균일성에 의해 매개되며, 이는 양자 스핀-액체 형성의 새로운 길을 제시한다.