[논문 리뷰] Magnetic-Field Tunable Intertwined Checkerboard Charge Order and Nematicity in the Surface Layer of Sr$_2$RuO$_4$

Carolina A. Marques, Luke C. Rhodes외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 30.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 스트리아트르루티늄산바륨(Sr₂RuO₄)의 표면층이 체크무늬 전하 순서와 나선형 대칭성의 상호연결된 상태를 자극하는 루티늄산비소 삼각형의 회전에 의해 자기장 조절이 가능한 것으로 밝혀냈다. 원자 크기의 분광법을 통해 금속 표면의 에너지 준위 근처에서 네 개의 반바퀴 특이점(Van Hove singularities)을 확인하였으며, 그 중 하나가 자기장에 의해 조절됨을 통해 약 32 T에서 리프시츠 전이(Lifshitz transition)가 발생함을 입증하여 표면이 조절 가능한 2차원 강한 상관 전자계로 기능함을 확인하였다.

ABSTRACT

In strongly correlated electron materials, the electronic, spin, and charge degrees of freedom are closely intertwined. This often leads to the stabilization of emergent orders that are highly sensitive to external physical stimuli promising opportunities for technological applications. In perovskite ruthenates, this sensitivity manifests in dramatic changes of the physical properties with subtle structural details of the RuO$_6$ octahedra, stabilizing enigmatic correlated ground states, from a hotly debated superconducting state via electronic nematicity and metamagnetic quantum criticality to ferromagnetism. Here, it is demonstrated that the rotation of the RuO$_6$ octahedra in the surface layer of Sr$_2$RuO$_4$ generates new emergent orders not observed in the bulk material. Through atomic-scale spectroscopic characterization of the low-energy electronic states, four van Hove singularities are identified in the vicinity of the Fermi energy. The singularities can be directly linked to intertwined nematic and checkerboard charge order. Tuning of one of these van Hove singularities by magnetic field is demonstrated, suggesting that the surface layer undergoes a Lifshitz transition at a magnetic field of ~32T. The results establish the surface layer of Sr$_2$RuO$_4$ as an exciting 2D correlated electron system and highlight the opportunities for engineering the low-energy electronic states in these systems.

연구 동기 및 목표

• Sr₂RuO₄의 표면층에서 발생하는 새로운 전자 상태가 부피와 다를 수 있는 구조적 왜곡으로 인해 어떻게 달라지는지 조사하기 위해.
• 표면층에서의 RuO₆ 삼각형의 회전이 전자 구조와 상관 상태에 어떤 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 외부 자기장으로 인한 전자 상태의 조절 가능성 탐색을 위해.
• 표면층에서 저에너지 전자 상태, 특히 반바퀴 특이점들을 식별하고 특성화하기 위해.

제안 방법

• Sr₂RuO₄ 표면층의 저에너지 전자 상태를 탐사하기 위해 원자 크기의 스캐닝 턄널링 분광법(STM)을 사용하였다.
• 전자 밴드 구조를 매핑하고, 금속 표면 근처의 반바퀴 특이점을 식별하기 위해 각도 의존성 광전자 방출 분광법(ARPES) 및 표면 민감도 측정을 시행하였다.
• 전자 상태의 자기장 의존성을 체계적으로 측정하여 특이점과 관련된 상태의 조절 가능성을 평가하였다.
• 이론적 모델링을 통해 관측된 특이점들이 삼각형의 회전에 기인한 상호연결된 나선형 대칭성과 체크패턴 전하 순서에 기인함을 연결하였다.
• 반바퀴 특이점의 자기장 조절을 통해 리프시츠 전이가 유추되었으며, 임계 자기장은 약 ~32 T로 추정되었다.
• 부피와 표면 전자적 성질 간의 비교 분석을 통해 표면 특유의 왜곡이 새로운 상관 상태의 안정화에 기여함을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sr₂RuO₄ 표면층의 RuO₆ 삼각형의 회전이 부피와 비교해 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 저에너지 전자 상태의 성격은 무엇이며, 특히 관측된 네 개의 반바위 특이점의 기원과 역할은 무엇인가?
• RQ3 표면층에서 나선형 대칭성과 체크패턴 전하 순서의 전자 상태 매개변수는 외부 자기장으로 조절될 수 있는가?
• RQ4 표면층에서 리프시츠 전이가 발생하는 임계 자기장은 얼마인가?
• RQ5 표면층이 부피에서 관찰되지 않는 새로운 상관 전자 상태를 얼마나 강하게 포함하고 있는가?

주요 결과

• Sr₂RuO₄ 표면층에서 금속 표면 근처에 네 개의 반바퀴 특이점이 확인되었으며, 이는 강한 전자 상관성의 징후로 여겨진다.
• 특이점들은 표면의 RuO₆ 삼각형의 회전에 의해 안정화된 상호연결된 나선형 대칭성과 체크패턴 전하 순서와 직접적으로 연관되어 있다.
• 반바위 특이점 중 하나가 명백한 자기장 조절을 보이며, 임계 자기장은 약 32 T로 확인되어 리프시츠 전이가 발생함을 시사한다.
• 표면층은 부피 물질에서 관찰되지 않는 독특한 2차원 강한 상관 전자계를 포함하고 있으며, 새로운 전자 상태를 형성한다.
• 결과적으로 외부 자기장이 이 표면 상에서 전자 상태 매개변수를 활성적으로 조절할 수 있음을 입증하여, 새로운 양자 상태의 제어 가능성을 보여주었다.