[논문 리뷰] Pseudogap and weak multifractality in disordered Mott charge-density-wave insulator

Jianhua Gao, Jae Whan Park외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 09.

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한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경/스펙트로스코피를 사용하여 Se로 치환된 1T-TaS2를 조사하여, 질서가 전자 상태의 글로벌 허공역과 약한 다중분포성을 유도함으로써 Mott-CDW 절연체가 질서 있는 상관관계 금속으로 전이됨을 밝혀냈다. 허공역은 국소적 Se 농도 또는 CDW 도메인 벽과 무관하게 형성되며, 패러미터 에너지 근처의 국소 상태 밀도(LDOS)의 발산하는 공간 상관관계와 약한 다중분포성 파동함수는 이 2차원 상관계 시스템에서 나타나는 초전도성의 기원으로 질서 있는 Mott 절연체 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

The competition, coexistence and cooperation of various orders in low-dimensional materials like spin, charge, topological orders and charge-density-wave has been one of the most intriguing issues in condensed matter physics. In particular, layered transition metal dichalcogenides provide an ideal platform for studying such an interplay with a notable case of 1${T}$-TaS$_{2}$ featuring Mott-insulating ground state, charge-density-wave, spin frustration and emerging superconductivity together. We investigated local electronic states of Se-substituted 1${T}$-TaS$_{2}$ by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), where superconductivity emerges from the unique Mott-CDW state. Spatially resolved STS measurements reveal that an apparent V-shape pseudogap forms at the Fermi Level (E$_{F}$), with the origin of the electronic states splitting and transformation from the Mott states, and the CDW gaps are largely preserved. The formation of the pseudogap has little correlation to the variation of local Se concentration, but appears to be a global characteristics. Furthermore, the correlation length of local density of states (LDOS) diverges at the Fermi energy and decays rapidly at high energies. The spatial correlation shows a power-law decay close to the Fermi energy. Our statistics analysis of the LDOS indicates that our system exhibits weak multifractal behavior of the wave functions. These findings strongly support a correlated metallic state induced by disorder in our system, which provides an new insight into the novel mechanism of emerging superconductivity in the two-dimensional correlated electronic systems.

연구 동기 및 목표

• Se 치환된 불순물 1T-TaS2에서의 잠재적 초전도성의 미세 구조 기원을 이해하기 위해.
• 전자 상관관계, 전하 밀도파(CDW) 질서 및 질서가 Mott 절연체 상태에서 어떻게 상호작용하는지 조사하기 위해.
• 허공역과 금속적 거동이 국소적 결함, CDW 도메인 벽 또는 글로벌 전자 상관관계에서 기인하는지 규명하기 위해.
• 질서에 의해 유도된 다중분포성과 상관관계 금속 상태가 2차원 상관관계 시스템에서 비정상적인 초전도성을 이끄는 가설을 검증하기 위해.

제안 방법

• 아토미크한 구조, 전하 조절 및 국소 전자 상태를 맵핑하기 위해 약 1Å 이하 및 meV 해상도의 스캐닝 터널링 현미경/스펙트로스코피(STM/STS)를 사용하였다.
• 4.3 K에서 공간 해상도를 갖춘 dI/dV 스펙트럼을 측정하여 국소 상태 밀도(LDOS)를 탐색하고, 패러미터 에너지 근처의 허공역 형성을 확인하였다.
• 파동함수의 다중분포 행동을 정량화하기 위해 LDOS 변동의 통계 분석을 수행하였다.
• 패러미터 에너지 근처의 공간 상관관계의 감쇠를 분석하여 LDOS의 공간 상관 길이를 추출하였다.
• Ta 5d 오비탈에 대해 1.5 eV의 국소 전하 상호작용 U 보정을 적용한 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하여 전자 구조를 모델링하고 실험 관측 결과를 검증하였다.
• 실험 결과를 질서 있는 Mott 절연체 및 다중분포성 파동함수 이론 모델과 비교하여 초전도성과의 관련성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Se로 치환된 1T-TaS2에서의 허공역이 국소적 Se 농도 또는 CDW 도메인 벽과 관련이 있는가?
• RQ2 패러미터 에너지 근처의 국소 상태 밀도(LDOS)의 공간 상관 구조는 어떻게 되어 있으며, 이는 금속 상태인지 절연체 상태를 나타내는가?
• RQ3 전자 파동함수가 어느 정도 다중분포적 특성을 보이며, 이는 전자 상태의 성격에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 이 시스템에서 초전도성의 발생이 CDW 또는 금속성 도메인 벽 네트워크의 경쟁보다 질서 있는 Mott 절연체 시나리오에 의해 이끌리는가?
• RQ5 Mott 절연체 시스템에서의 질서가 어떻게 상관관계 금속 상태로 이어지고, 이로 인해 허공역이 형성되며 초전도성이 향상되는가?

주요 결과

• Se로 치환된 1T-TaS2에서 패러미터 에너지 근처에 V자형의 허공역이 형성되며, 이는 국소적 Se 농도와 무관한 글로벌 절연체-금속 전이를 나타낸다.
• CDW 갭은 대부분 유지되어 있으며, Mott 갭의 융해가 CDW 질서의 변동성 또는 도메인 벽 네트워크에 의해 유도되지 않는다는 것을 시사한다.
• 국소 상태 밀도(LDOS)의 공간 상관 길이가 패러미터 에너지에서 발산하고 E_F 근처에서 거듭제곱 법칙에 따라 감쇠되며, 장거리 양자 위상 일관성을 나타낸다.
• 파동함수는 약한 다중분포적 행동을 보이며, 통계 분석을 통해 LDOS 변동의 비보편적 스케일링이 확인되었다.
• 허공역 형성은 고립된 금속 클러스터나 특정 S-Se 구조와 관련이 없으며, 이는 주기적 초구조 기반 모델과 정면으로 배치된다.
• 결과는 초전도성 기원으로서의 질서 있는 Mott 절연체 시나리오를 강력히 지지하며, 다중분포성이 초전도성 향상과 연결된 이론적 제안과 일치한다.