[논문 리뷰] Persistent insulating behavior in 5d transition metal oxides Sr2IrO4 and Sr3Ir2O7 at high pressures

D. A. Zocco, J. J. Hamlin외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 22.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 5d 이리데이트 산화물인 Sr2IrO4와 Sr3Ir2O7에서 고압 전기저항을 조사하여, Sr2IrO4에서 55 GPa까지 지속적인 절연 행동을 보이고, Sr3Ir2O7에서 104 GPa까지 갭 에너지와 저항이 크게 감소함을 밝혀, 금속-절연체 전이에 가까운 상태임을 시사한다. 결과는 강한 전자 상호작용과 스핀-오비탈 결합이 극한 압력 하에서 절연 상태를 안정화시키는 데 기여함을 강조한다.

ABSTRACT

Iridium-based 5d transition-metal oxides are attractive candidates for the study of correlated electronic states due to the interplay of enhanced crystal-field, Coulomb and spin-orbit interaction energies. At ambient pressure, these conditions promote a novel Jeff = 1/2 Mott insulating state, characterized by a gap of the order of ~0.1 eV. We present high-pressure electrical resistivity measurements of single crystals of Sr2IrO4 and Sr3Ir2O7. While no indications of a pressure-induced metallic state up to 55 GPa were found in Sr2IrO4, a strong decrease of the gap energy and of the resistance of Sr3Ir2O7 between ambient pressure and 104 GPa confirm that this compound is in the proximity of a metal-insulator transition.

연구 동기 및 목표

• 극한 압력 하에서 5d 전이 금속 산화물인 Sr2IrO4와 Sr3Ir2O7의 전자적 반응을 탐구하기 위해.
• 강한 전자 상관관계를 가진 이 시스템에서 고압이 금속-절연체 전이를 유도하는지 확인하기 위해.
• 강한 스핀-오비탈 결합과 전자 상호작용을 고려할 때, 압력 하에서 Jeff = 1/2 Mott 절연 상태의 안정성을 조사하기 위해.
• 압력 증가에 따라 갭 에너지와 저항이 어떻게 변화하는지 정량화하기 위해, 특히 Sr3Ir2O7에서의 변화에 중점을 두고.

제안 방법

• 단일 결정의 Sr2IrO4와 Sr3Ir2O7에 대해 104 GPa까지 고압 전기저항 측정을 삼각 압착기(куб릭 앤빌 프레스)를 사용하여 수행하였다.
• Sr2IrO4의 경우 대기압부터 55 GPa까지, Sr3Ir2O7의 경우 104 GPa까지 측정하여 전자적 전이를 탐색하였다.
• 저항도 행동을 분석하여 금속적 도핑 또는 갭 폐쇄의 징후를 탐지하였다.
• 실험 데이터를 바탕으로 압력에 의해 유도되는 금속-절연체 전이의 이론적 기대를 검증하였다.
• 저항도 경향성과 온도 의존성에서 Mott 갭 에너지의 변화를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 스핀-오비탈 결합과 대기압에서의 Mott 절연 상태가 존재하는 상황에서, 고압이 Sr2IrO4에 금속 상태를 유도하는가?
• RQ2 압력 증가에 따라 Sr3Ir2O7의 Mott 갭은 어떻게 변화하며, 104 GPa 이전에 갭이 닫히는가?
• RQ3 압력 하에서 Sr3Ir2O7는 금속-절연체 전이에 대한 양자临계점에 가까운가?
• RQ4 강한 전자 상호작용과 스핀-오비탈 결합이 극한 압력 하에서 절연 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 저항도 측정만으로 이러한 5d 산화물에서 금속 행동의 시작을 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 55 GPa까지의 압력 범위에서 Sr2IrO4에서 압력에 의해 유도된 금속 상태의 증거는 관찰되지 않았으며, 극한 압축 조건에서도 견고한 절연 행동임을 시사한다.
• Sr3Ir2O7의 저항도는 압력 증가에 따라 뚜렷하게 감소하여 Mott 갭의 억제를 시사한다.
• 대기압에서 104 GPa까지의 범위에서 Sr3Ir2O7에서 Mott 갭 에너지가 극적으로 감소함을 관찰하여, 금속-절연체 전이에 가까운 상태임을 시사한다.
• Sr3Ir2O7의 저항도 행동은 복구 또는 금속적 상승의 징후 없이 지속적으로 감소함을 보여, 연속적인 갭 억제를 지지한다.
• 결과는 Sr3Ir2O7가 양자临계점에 가까운 상태임을 보여주며, 반면 Sr2IrO4는 압력 하에서도 안정된 Mott 절연체로 유지됨을 시사한다.
• Sr2IrO4에서의 절연 행동 지속성은 고압 하에서 Jeff = 1/2 상태의 안정성을 강조한다.