[논문 리뷰] Microscopic Route to Nematicity in Sr3Ru2O7

Christoph M. Puetter, Jeffrey G. Rau외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 24.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 t2g 오비탈, 스핀-오비탈 결합, RuO6 옥타에드론의 회전을 포함한 타이트버드 모형을 바탕으로, 스크린3루2오7에서의 나치스티시티의 미시적 메커니즘을 제안한다. 이로 인해 에너지 준위 근처에 반도체 특성의 특이점(van Hove singularities)이 생성되며, 나치스티시티 상은 반도체 특성의 특이점과 유사한 성질을 띠게 된다. 나치스티시티 상은 페로자성과 나치스티시티 순서 사이의 경쟁으로 발생하며, 이는 근접한 이웃 상호작용이 주로 (±π,0) 및 (0,±π) 근처의 dxy에 의해 지배되는 γ2 밴드에서 이방성의 피어미 표면 변형을 유도함으로써 페로자성을 차단한다.

ABSTRACT

An anisotropic metallic phase dubbed electronic nematic phase bounded by two consecutive metamagnetic transitions has been reported in the bilayer ruthenate Sr3Ru2O7. It has also been shown that the nematic and the accompanying metamagnetic transitions are driven by an effective momentum-dependent quadrupole-type interaction. Here, we study the microscopic origin of such an effective interaction. To elucidate the mechanism behind the spontaneous Fermi surface distortion associated with the nematic, we identify a simple tight binding model based on t2g orbitals, spin-orbit coupling and the rotation of RuO6 octahedra as starting point, consistent with the Fermi surface obtained from recent angle-resolved photoemission data. Within an extended Hubbard model the nematic state, characterized by an anisotropy between the bands near $(\pm π,0)$ and $(0,\pm π)$, then strongly competes with ferromagnetic order but pre-empts it via a finite nearest neighbor interaction. We discuss experimental means to confirm our proposal.

연구 동기 및 목표

• 스크린3루2오7에서 관측된 두 개의 메타자성 전이 사이의 전자 나치스티시티의 미시적 기원을 규명하는 것.
• 나치스티시티를 이끄는 효과적 운동량 의존성 쿼드루플레 상호작용을 실제 t2g 오비탈과 스핀-오비탈 결합 기반의 전자 밴드 구조와 조율하는 것.
• 강한 온사이트 반발력이 페로자성을 선호하는 데도 불구하고, 나치스티시티 순서가 페로자성 순서보다 먼저 나타나는 이유를 설명하는 것.
• 스캐닝 턨널링 현미경과 양자 진동과 같은 실험적 검증 방법을 제안하여, 이 메커니즘이 다른 궁극적 1차원 오비탈 순서 시나리오와 어떻게 구별되는지 밝혀내는 것.

제안 방법

• t2g 오비탈(dxy, dxz, dyz)을 사용한 단일층 타이트버드 모형을 구축하였으며, 스핀-오비탈 결합과 RuO6 옥타에드론의 회전에 의한 격자 세분화를 포함한다.
• 모형은 근접한 이웃 전도도, 온사이트 쿨롱 상호작용(U), 그리고 이종오비탈 상호작용(V)을 포함하며, 매개변수는 ARPES로 유도된 피어미 표면 구조를 재현하도록 조정된다.
• 나치스티시티 상태는 (±π,0) 및 (0,±π) 점들 사이의 준입자 밀도의 이방성으로 특징지어지며, 순서 매개변수 ∑k[cos(kx)−cos(ky)]n_k를 통해 기술된다.
• 다중오비탈 허버드 모형을 사용하여 경쟁적인 불안정성을 연구하였으며, 평균장 이론을 적용하여 나치스티시티, 페로자성, 스핀-나치스티시티 채널을 분석한다.
• 감소된 브릴루앙 영역 모서리 근처의 반도체 특성의 특이점(van Hove singularities, vHS)이 나치스티시티 감도를 증가시키는 핵심 요소임을 분석한다.
• 이중층 결합을 고려하였지만, 나치스티시티 질서에 미치는 영향는 미미하여, 주로 단일층 효과 모형에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메타자성 전이에 가까운 스크린3루2오7에서 나치스티시티 상태를 생성하는 미시적 메커니즘은 무엇인가? (이완성 저항도의 이방성과 관련하여)
• RQ2 스핀-오비탈 결합, 옥타에드론의 회전, 그리고 t2g 오비탈 혼성화의 상호작용이 반도체 특성의 특이점(van Hove singularities)을 어떻게 형성하여 나치스티시티 순서를 선호하게 하는가?
• RQ3 온사이트 반발력이 페로자성을 강하게 선호하는 데도 불구하고, 나치스티시티 순서가 페로자성 순서보다 먼저 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ4 경쟁적인 불안정성 존재 하에서, 근접한 이웃 상호작용이 나치스티시티 순서가 페로자성 순서를 앞서게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 메커니즘은 어떻게 다른 1차원 오비탈 순서 시나리오와 실험적으로 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 나치스티시티 상은 주로 (±π,0) 및 (0,±π) 근처에서 dxy 오비탈에 의해 지배되는 γ2 밴드에서 발생하는 이방성 피어미 표면 변형에 의해 주도된다.
• 온사이트 내오비탈 반발력은 강하게 페로자성 순서를 선호하지만, 온사이트 간오비탈 상호작용은 나치스티시티 순서가 페로자성 및 스핀-나치스티시티 채널보다 약간 유리하게 작용한다.
• 근접한 이웃 상호작용은 전하 및 스핀-나치스티시티 감도를 크게 증가시켜, 나치스티시티 전이가 페로자성 순서 이전에 발생할 수 있도록 한다.
• 스핀-오비탈 결합과 옥타에드론의 회전 조합은 에너지 준위 근처의 평탄한 밴드와 반도체 특성의 특이점을 생성하며, 이는 시스템이 나치스티시티 순서에 매우 민감하게 반응하도록 한다.
• 모형은 최근의 역각 분광법(ARPES) 데이터와 일치하는 관측 가능한 피어미 표면 구조를 재현한다.
• 스캐닝 터널링 현미경과 양자 진동과 같은 실험적 탐사 방법을 제안하여, 이 dxy 기반 나치스티시티 메커니즘이 다른 오비탈 순서 시나리오와 어떻게 구별되는지 밝혀낸다.