[논문 리뷰] Scaling Behavior of the Longitudinal and Transverse Transport in Quasi One-Dimensional Organic Conductors

Martin Dressel, K. Petukhov외 3명|arXiv (Cornell University)|2004. 09. 13.

Organic and Molecular Conductors Research참고 문헌 59인용 수 49

한 줄 요약

이 연구는 (TMTSF)₂PF₆ 및 (TMTSF)₂ClO₄와 같은 준일차원 유기 도전체에서 a, b′, c∗ 축을 따라 직류 저항도 및 접촉 없는 마이크로파 측정을 통해 비등방성 전기적 운반을 조사한다. (TMTSF)₂PF₆에서는 약 100 K에서 차원 교차 현상이 나타나며, a 및 b′ 축을 따라 Luttinger 액체 거동과 일치하는 거듭제곱 법칙 스케일링을 보인다. 반면 (TMTSF)₂ClO₄는 기대와는 달리 낮은 비등방성과 200 K 이상에서만 약한 일차원적 특징을 나타내어 전이 적분에 기반한 기대와 도전한다.

ABSTRACT

We report on dc and microwave experiments of the low-dimensional organic conductors (TMTSF)$_2$PF$_6$ and (TMTSF)$_2$ClO$_4$ along the $a$, $b^{\prime}$, and $c^*$ directions. In the normal state of (TMTSF)$_2$PF$_6$ below T=70 K, the dc resistivity follows a power-law with $ ho_a$ and $ ho_{b^{\prime}}$ proportional to $T^2$ while $ ho_{c^*}\propto T$. Above $T = 100$ K the exponents extracted from the data for the $a$ and $c^*$ axes are consiste1nt with what is to be expected for a system of coupled one-dimensional chains (Luttinger liquid) and a dimensional crossover at a temperature of about 100 K. The $b^\prime$ axis shows anomalous exponents that could be attributed to a large crossover between these two regimes. The contactless microwave measurements of single crystals along the $b^{\prime}$-axis reveal an anomaly between 25 and 55 K which is not understood yet. The organic superconductor (TMTSF)$_2$ClO$_4$ is more a two-dimensional metal with an anisotropy $ ho_a/ ho_{b^{\prime}}$ of approximately 2 at all temperatures. Such a low anisotropy is unexpected in view of the transfer integrals. Slight indications to one-dimensionality are found in the temperature dependent transport only above 200 K. Even along the least conducting $c^*$ direction no region with semiconducting behavior is revealed up to room temperature.

연구 동기 및 목표

• 준일차원 유기 도전체 (TMTSF)₂PF₆ 및 (TMTSF)₂ClO₄에서 縦방향 및 횡방향 운반의 스케일링 행동을 조사하기 위해.
• 특히 정상 상태 및 다양한 결정학적 방향에서 Luttinger 액체 거동이 어느 정도 나타나는지 규명하기 위해.
• 접촉 저항 및 표면 효과를 최소화하여 세 축(a, b′, c∗)을 따라 운반을 측정함으로써 비등방성에 대한 모순을 해결하기 위해.
• (TMTSF)₂PF₆에서의 차원 교차 온도를 탐색하고, 상호연결성의 영향을 운반 비정상성과 연관지어 평가하기 위해.
• 화학적 조절 조건에서 (TMTSF)₂PF₆와 (TMTSF)₂ClO₄의 운반 행동을 비교하여 준일차원 시스템에서 전자적 반응의 보편성 여부를 시험하기 위해.

제안 방법

• 고품질 단일결정 (TMTSF)₂PF₆ 및 (TMTSF)₂ClO₄를 사용하여 a, b′, c∗ 방향으로 저온에서 직류 사프로브 저항도 측정을 수행하였다.
• 접촉 저항 오차 없이 유전율 응답과 도전도를 탐사하기 위해 24, 33.5, 60 GHz에서 접촉 없는 마이크로파 스펙트로스코피를 적용하였다.
• 마이크로파 측정에서 방향 선택성을 확보하기 위해 바늘형 및 모자이크 배열 단일결정을 사용하였으며, 특히 c∗ 방향에서의 측정에 유리하였다.
• 3He 냉각기로 1.1 K 이하로 냉각하여 초전도 상태에 접근하고, 고정 및 완화된 열역학력사를 모두 연구하였다.
• 온도 의존 저항도 데이터를 거듭제곱 법칙 피팅을 통해 임계 지수를 추출하고 교차 영역을 식별하였다.
• 전이 적분(ta : tb : tc ≈ 250 : 20 : 1 meV)에 기반한 이론적 예측과 비교하여, 결합된 Luttinger 체인 및 약 100 K에서의 차원 교차 현상에 대한 이론적 기대와 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 a, b′, c∗ 축을 따라 (TMTSF)₂PF₆ 및 (TMTSF)₂ClO₄에서 직류 저항도의 스케일링 행동은 어떻게 되며, 이는 Luttinger 액체 물리학을 반영하는가?
• RQ2 (TMTSF)₂PF₆에서 일차원에서 삼차원 행동으로의 차원 교차가 발생하는 온도는 언제이며, 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 강한 일차원 특성을 보이는 전이 적분에도 불구하고 (TMTSF)₂ClO₄에서 왜 낮은 비등방성(ρa/ρb′ ≈ 2)을 나타내는가?
• RQ4 b′ 축을 따라 마이크로파 측정에서 25~55 K 사이에 관찰된 이례적인 저항도 비정상성의 원인은 무엇인가?
• RQ5 화학적 조절 조건에서 (TMTSF)₂PF₆와 (TMTSF)₂ClO₄의 운반 특성을 비교할 경우, 이는 준일차원 시스템에서의 보편성에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• (TMTSF)₂PF₆에서 70 K 이하에서는 ρa 및 ρb′가 T²로 스케일링되며, ρc∗는 T로 스케일링되어 서로 다른 축에서 일차원 운반 행동이 뚜렷하게 나타난다.
• 100 K 이상에서는 a 축 및 c∗ 축의 저항도 지수들이 Luttinger 액체 예측과 일치하여, 약 100 K에서 차원 교차 현상이 발생했음을 시사한다.
• (TMTSF)₂PF₆의 b′ 축 저항도는 이례적인 지수를 보이며, 이는 일차원과 삼차원 영역 사이의 큰 교차에 기인한 것으로 보인다.
• 접촉 없는 마이크로파 측정은 25~55 K 사이에서 b′ 축 응답에 설명되지 않은 비정상성을 드러내었으며, 아직 이해되지 않은 상태이다.
• (TMTSF)₂ClO₄에서는 모든 온도에서 비등방성 ρa/ρb′가 약 2로 유지되며, 전이 적분에 기반한 기대와는 정반대이며 강한 상호연결성이 있음을 시사한다.
• (TMTSF)₂ClO₄에서 c∗ 방향으로는 실온까지 반도체 행동을 관찰하지 못하였고, 200 K 이상에서만 약한 일차원적 특징이 나타난다.