[논문 리뷰] Pressure-induced unusual metallic state in EuNiO$_3$

Hisao Kobayashi, Shugo Ikeda외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 18.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 동기광 기반 X선 회절 및 ¹⁵¹Eu 핵 전진 산란을 이용하여 반자성 절연체 EuNiO₃에서 압력에 의한 양자 상전이를 조사한다. 약 6 GPa에서 압력 유도 절연체-금속 전이가 발생하고, 약 10.5 GPa에서 비정상적인 반자성 금속 상태가 나타나는 자기 양자临계점이 존재함을 규명하였다. 이 상태에서는 임계점 근처에서 비페르미 액체 거동(저항도 ∝ T¹.⁶)을 나타내며, 15 GPa 이상에서는 페르미 액체 상태로 전이된다.

ABSTRACT

The perovskite antiferromagnetic ($T_{ m N}$ $\sim$ 220 K) insulator EuNiO$_3$ undergoes at ambient pressure a metal-to-insulator transition at $T_{ m MI}$ = 460 K which is associated with a simultaneous orthorhombic-to-monoclinic distortion, leading to charge disproportionation. We have investigated the change of the structural and magnetic properties of EuNiO$_3$ with pressure (up to $\sim$ 20 GPa) across its quantum critical point (QCP) using low-temperature synchrotron angle-resolved x-ray diffraction and $^{151}$Eu nuclear forward scattering of synchrotron radiation, respectively. With increasing pressure we find that after a small increase of $T_{ m N}$ ($p$ $\leq$ 2 GPa) and the induced magnetic hyperfine field $B_{ m hf}$ at the $^{151}$Eu nucleus ($p$ $\leq$ 9.7 GPa), both $T_{ m N}$ and $B_{ m hf}$ are strongly reduced and finally disappear at $p_{ m c}$ $\cong$ 10.5 GPa, indicating a magnetic QCP at $p_{ m c}$. The analysis of the structural parameters up to 10.5 GPa reveals no change of the lattice symmetry within the experimental resolution. Since the pressure-induced insulator-to-metal transition occurs at $p_{ m IM}$ $\cong$ 6 GPa, this result implies the existence of an antiferromagnetic metallic state between 6 and 10.5 GPa. We further show from the analysis of the reported high pressure electrical resistance data on EuNiO$_3$ at low-temperatures that in the vicinity of the QCP the system behaves as non-Fermi-liquid, with the resistance changing as $T^{ m n}$, with n=1.6, whereas it becomes a normal Fermi-liquid, n = 2, for pressures above $\sim$15 GPa. On the basis of the obtained data a magnetic phase diagram in the ($p$, $T$) space is suggested.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 EuNiO₃의 구조적, 자성 및 전자적 성질의 변화를 조사하기 위해.
• 반자성 절연체인 EuNiO₃에서 양자 임계점(QCP)의 존재 및 성질을 규명하기 위해.
• 고압 조건에서 금속상에서 전하 분리 현상이 유지되는지 확인하기 위해.
• 임계점 근처에서 전자적 거동을 비페르미 액체 및 페르미 액체 영역으로 구분하여 분석하기 위해.
• 실험 데이터를 바탕으로 EuNiO₃의 종합적인 (압력, 온도) 상도를 구축하기 위해.

제안 방법

• 저온 동기광 각도 분석 X선 회절을 사용하여 최대 약 20 GPa까지의 구조적 변화 및 격자 상수를 측정하였다.
• ¹⁵¹Eu 핵 전진 산란(NFS)을 통해 Eu 핵에서의 자성 피드백장을 측정하여 Ni 서브격자 자성의 국소적 탐측을 수행하였다.
• 네일 온도(T_N) 및 피드백장(B_hf)의 압력 의존성을 추출하여 자성 양자 임계점을 규명하였다.
• 기존의 저온 전기 저항 데이터 분석을 통해 거듭제곱 법칙 피팅 R ∝ T^n을 사용하여 비페르미 액체(n ≈ 1.6)와 페르미 액체(n = 2) 거동을 분류하였다.
• 구조적 매개변수 분석을 통해 절연체-금속(IM) 전이 및 양자 임계 전이에서의 대칭성 변화나 이질성을 탐지하였다.
• X선, NFS 및 저항도 데이터를 통합하여 (p, T) 상도를 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EuNiO₃의 반자성 절연체 기저 상태는 고압 조건에서도 유지되는가? 그리고 어느 압력에서 붕괴되는가?
• RQ2 EuNiO₃에 양자 임계점이 존재하는가? 그 압력 위치는 어디인가?
• RQ3 약 6 GPa에서의 절연체-금속 전이와 약 10.5 GPa에서의 자성 QCP 사이의 전자 상태 성질은 무엇인가?
• RQ4 양자 임계점 근처에서 전자적 거동(저항도 대 온도)은 어떻게 변화하며, 이는 기저 상태의 성질에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 구조적 및 전자적 데이터에 따르면 고압 조건에서 금속상에서도 전하 분리 현상이 유지되는가?

주요 결과

• EuNiO₃에서 절연체-금속 전이가 p_IM ≈ 6 GPa에서 발생하며, 실험적 해상도 범위 내에서 격자 상수에 눈에 띄는 구조적 이질성이 없음을 확인하였다.
• 네일 온도 T_N 및 ¹⁵¹Eu 핵에서의 자성 피드백장 B_hf는 압력에 따라 단조롭게 감소하며, p_c ≈ 10.5 GPa에서 사라지며, 자성 양자 임계점을 나타낸다.
• p_IM ≈ 6 GPa에서 p_c ≈ 10.5 GPa 사이에 반자성 금속 상태가 존재하며, 금속상에서 자성이 유지됨을 확인하였다.
• 임계점 근처(10.5 GPa ≤ p ≤ 14.8 GPa)에서 전기 저항도는 비페르미 액체 거동을 따르며, 거듭제곱 법칙 R ∝ T^n에서 n = 1.6을 나타낸다.
• 약 15 GPa 이상의 압력에서는 저항도가 페르미 액체 거동을 따르며, n = 2로 나타나 일반적인 준입자 행동이 복귀함을 나타낸다.
• 분석 결과 전하 분리 현상이 금속상에서도 유지될 가능성이 높으며, 절연체-금속 전이에서 뚜렷한 대칭성 변화나 구조적 이질성이 관측되지 않았기 때문이다.