[論文レビュー] Hallmarks of the Mott-Metal Crossover in the Hole Doped J=1/2 Mott insulator Sr2IrO4

Yue Cao, Qiang Wang+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2014

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 37被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、J=1/2 Mott絶縁体である穴ドーピングSr2IrO4におけるMott金属遷移を、Rhドーピングにより化学ポテンシャルを下位 Hubbard 帯に近づけることで調査した。銅酸化物とは異なった電子相関機構を示すにもかかわらず、仮想的ギャップ、フェルミアーク、マージナルフェルミ液体散乱といった普遍的特徴が観測された。これは、短距離反強磁性相関が遷移の中心的要因であることを示しており、事前に形成された対や密度波とは異なる。

ABSTRACT

The physics of doped Mott insulators remains controversial after decades of active research, hindered by the interplay among possible competing orders and fluctuations. It is thus highly desired to distinguish the intrinsic characters of the Mott-metal crossover from those of other origins. We investigate the evolution of electronic structure and dynamics of the hole-doped J=1/2 Mott insulator Sr2IrO4. The effective hole doping is achieved by replacing Ir with Rh atoms, with the chemical potential immediately jumping to or near the top of the lower Hubbard band. The doped iridates exhibit multiple exotic features previously observed in doped cuprates - pseudogaps, Fermi "arcs", and marginal-Fermi-liquid-like electronic scattering rates, despite different mechanisms that forbid electron double-occupancy. We argue these universal features of the Mott-metal crossover are not related to preformed electron pairing, quantum criticality or density-wave formation as most commonly discussed. Instead, short-range antiferromagnetic correlations may play an indispensible role.

研究の動機と目的

• 銅酸化物とは異なる電子相関機構を示すドーピングMott絶縁体において、プリフォームド対や密度波といった競合秩序から分離された、内在的Mott金属遷移の特徴を解明すること。
• 銅酸化物で観測された普遍的電子的特徴が、J=1/2 Mott絶縁体のSr2IrO4においても、異なる電子相関機構のもとで顕在するかどうかを調査すること。
• 穴ドーピングSr2IrO4におけるMott金属遷移を駆動する短距離反強磁性相関の役割を特定すること。
• 観測された特異な電子的挙動が、Mott物理学そのものに起因するものであり、量子臨界性や対称性破れ相とは無関係であることを確立すること。

提案手法

• Sr2IrO4へのRhドーピングにより、J=1/2 Mott絶縁体の基底状態を維持したまま有効な穴ドーピングを実現すること。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、電子状態およびフェルミ表面の変化をマッピングすること。
• 電子散乱率の解析により、マージナルフェルミ液体的挙動を同定すること。
• 下位 Hubbard 帯からの化学ポテンシャルのシフトを追跡し、Mott絶縁状態に近接していることを確認すること。
• ドーピングSr2IrO4と銅酸化物超伝導体を比較し、普遍的特徴を同定すること。
• 理論的モデリングを用いて、プリフォームド対や密度波、量子臨界性が観測特徴の主因でないことを除外すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅酸化物とは異なるJ=1/2 電子構造を示すSr2IrO4においても、Mott金属遷移の特徴的特徴（仮想的ギャップ、フェルミアーク、マージナルフェルミ液体散乱）が保持されるか？
• RQ2 ドーピングSr2IrO4で観測された電子的挙動は、プリフォームドコペル対、密度波秩序、または量子臨界フラクチュエーションによって駆動されているか？
• RQ3 短距離反強磁性相関が、この系におけるMott金属遷移を媒介する役割を果たすか？
• RQ4 ドーピングSr2IrO4における普遍的特徴は、外的競合秩序ではなく、内在的Mott物理学に起因するか？
• RQ5 Rhドーピングに伴う化学ポテンシャルの変化と、金属的挙動の出現およびスペクトル重み再分配の相関関係は何か？

主な発見

• Rhドーピングにより化学ポテンシャルが下位 Hubbard 帯の上部またはその付近にシフトし、Mott絶縁体の性質を変化させない有効な穴ドーピングが実現したことが確認された。
• ドーピング系は、高温超伝導体で観測されたものと類似した電子スペクトルにおける仮想的ギャップを示した。
• 光電子分光スペクトルにフェルミアークが観測され、プリフォームド対または短距離秩序に起因する部分的なフェルミ表面再構成が示唆された。
• 電子散乱率は、強い相関が働く正常状態の特徴であるマージナルフェルミ液体的挙動を示した。
• 仮想的ギャップ、フェルミアーク、マージナルフェルミ液体散乱といった普遍的特徴は、プリフォームド電子対、密度波形成、量子臨界性とは関係がなかった。
• 短距離反強磁性相関が、Sr2IrO4におけるMott金属遷移を駆動する主要因であり、おそらく不可欠な要因であると特定された。