[논문 리뷰] Probing spin correlations using angle-resolved photoemission in a coupled metallic/Mott insulator system

Veronika Sunko, Federico Mazzola외 17명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 41인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 일반적으로 비자성인 각도 분 giải 광전자 방사 분광법(ARPES)이 편향된 스핀-전하 교란을 가진 코니오-결합 시스템 PdCrO2에서 스핀 상관관계를 탐지할 수 있음을 보여준다. 금속성 Pd 층과 Mott 절연체 성질을 가진 CrO2 층 간의 결합으로 인해 S=3/2 스핀을 가진 Cr 성질을 띤 스펙트럼 특징이 나타나며, 이는 약 1 eV 범위에서 에너지에 독립적인 강도를 보인다. 이는 하부 Hubbard 밴드로 확인되며, 비자성 측정 수 Mitt의 강한 자기 감도를 드러낸다.

ABSTRACT

A nearly free electron metal and a Mott insulating state can be thought of as opposite ends of the spectrum of possibilities for the motion of electrons in a solid. Understanding their interaction lies at the heart of the correlated electron problem. In the magnetic oxide metal PdCrO2, nearly free and Mott-localized electrons exist in alternating layers, forming natural heterostructures. Using angle-resolved photoemission spectroscopy, quantitatively supported by a strong coupling analysis, we show that the coupling between these layers leads to an “intertwined” excitation that is a convolution of the charge spectrum of the metallic layer and the spin susceptibility of the Mott layer. Our findings establish PdCrO2 as a model system in which to probe Kondo lattice physics and also open new routes to use the a priori nonmagnetic probe of photoemission to gain insights into the spin susceptibility of correlated electron materials.

연구 동기 및 목표

• 금속성 층과 Mott 절연체 층의 자연적 이종구조에서의 스핀-전하 얽힘을 조사하기 위해.
• 각도 분해 광전자 방사 분광법이 상호작용 전자 시스템에서 스핀 상관관계를 탐지할 수 있는지 확인하기 위해.
• PdCrO2를 코니오 격자 물리학과 Mott-금속 결합의 모델 시스템으로 설정하기 위해.
• ARPES가 정적 자성 질서를 초월해 동적 스핀 감도를 탐지할 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• Cr L2,3 에지 공 resonance 조건에서 소프트 X선 ARPES를 수행하여 Cr 기반 스펙트럼 강도를 강화하였다.
• 공 resonance (581.7 eV) 및 비공 resonance (578 eV) 스펙트럼을 비교하여 Cr 성질을 분리하였다.
• 모멘텀 분포 곡선과 에너지 분포 곡선을 사용하여 금속성 밴드의 스펙트럼 강도(IMB)와 하부 Hubbard 밴드의 강도(ILHB)를 추출하였다.
• ILHB 강도를 Cr L2,3 X선 흡수 스펙트럼과 연관시켜 Cr 기원을 확인하였다.
• 강한 결합 분석 및 DFT+DMFT 계산을 적용하여 ARPES 데이터를 해석하였다.
• 모멘텀 공간에서의 스펙트럼 복제를 분석하여 코니오 결합 기원을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각도 분해 광전자 방사 분광법은 자기 반응이 없는 시스템에서 스핀 상관관계를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 PdCrO2에서 패배 에너지 수준 근처에서 관측된 에너지에 독립적인 Cr 성질의 스펙트럼 강도는 무엇인가?
• RQ3 PdCrO2에서 금속성 층과 Mott 절연체 층 간의 결합이 어떻게 상호작용하는 스핀-전하 교란을 유도하는가?
• RQ4 ARPES는 자기 측정을 하지 않고 Mott 절연체에서 스핀 감도를 어느 정도 탐지할 수 있는가?
• RQ5 관측된 스펙트럼 특징은 전통적인 밴드 접힘보다 코니오 결합에 의해 설명될 수 있는가?

주요 결과

• EF 이하 약 2 eV에서 관측된 흐릿한 스펙트럼 강도는 Cr 성질을 가지며 에너지에 독립적인 강도를 보이며, Mott 절연체의 하부 Hubbard 밴드로 확인되었다.
• 이 특징의 강도(ILHB)는 Cr L2,3 X선 흡수 스펙트럼과 일치하여 그 Cr 기원을 확인하였다.
• 금속성 Pd 기반 밴드는 공 resonance 강도 증가가 없었으며, 이는 Pd 성질을 확인하고 Cr 에지에서의 스펙트럼 강도 변화가 미미함을 의미한다.
• Fermi 수준 근처에서 관측된 금속성 밴드의 스펙트럼 복제들은 자성 밴드 접힘보다는 코니오 결합에 기인한 것으로 추정된다.
• 관측된 스펙트럼 강도는 자성 브릴루앙 영역 경계에서 약화되지 않아, 표준 밴드 접힘 기대와 정면으로 배치된다.
• 결과적으로 ARPES는 코니오 결합을 통해 Mott 절연체에서 스핀 상관관계를 탐지할 수 있으며, 이는 비자성 측정을 통한 스핀 감도 탐지 가능성을 확립한다.