[论文解读] Physica Status Solidi B (pssb) / Quantum magnetic properties and metal-to-insulator transition in chemically doped calcium ruthenate perovskite

Deepak Singh, A. Ernst+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 34被引用 3

一句话总结

本研究探讨了化学掺杂钙钛矿钌酸盐（CaRuO3）中的量子磁涨落与金属-绝缘体转变，揭示了未掺杂CaRuO3中存在非费米液体行为和强韧的量子自旋涨落，而钴掺杂则诱导了自旋玻璃序与量子连续体涨落的共存，表明该体系在 Hubbard 与 Heisenberg 物理交界处表现出由无序驱动的量子临界性。

ABSTRACT

Ruthenates provide a comprehensive platform to study a plethora of novel properties, such as quantum magnetism, superconductivity, and magnetic fluctuation mediated metal–insulator transition (MIT). Herein, an overview of quantum mechanical phenomenology in calcium ruthenium oxide with varying compositions is provided. While the stoichiometric composition of CaRuO_3 exhibits non-fermi liquid (FL) behavior with quasi-criticality, chemically doped compounds depict prominent signatures of quantum magnetic fluctuations at low temperature that in some cases are argued to mediate in metal–insulator transition. In the case of cobalt-doped CaRuO_3, an unusual continuum fluctuation is found to persist deep inside the glassy phase of the material. These observations reflect the richness of the ruthenate research platform in the study of quantum magnetic phenomena of fundamental importance.

研究动机与目标

• 理解化学计量比 CaRuO3 中非费米液体行为的起源。
• 研究化学掺杂（如 Co）如何诱导金属-绝缘体转变并改变磁基态。
• 考察量子自旋涨落与无序在稳定自旋玻璃与连续体涨落等奇异量子相中的作用。
• 阐明掺杂钌酸盐中电子局域化、磁涨落与量子临界性之间的相互作用。

提出的方法

• 对高质量多晶 CaRuO3 及钴掺杂样品进行高精度电输运与磁化率测量。
• 在固定动量转移（Q = 1.06 Å⁻¹）下实施非弹性中子散射（INS），以探测动态自旋关联与能量依赖的自旋涨落。
• 将电阻率数据拟合至幂律 ρ ∝ T^ϵ，以量化非费米液体行为。
• 通过分析频率无关的静态磁化率，排除未掺杂 CaRuO3 中存在自旋玻璃行为的可能性。
• 利用理论模型解释掺杂体系中局域激发与量子连续体涨落的共存。
• 比较零场与高磁场（最高达 10 T）下的结果，评估量子涨落在磁场下的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 未掺杂 CaRuO3 中的非费米液体行为由何引起，其与量子磁涨落之间有何关联？
• RQ2 钴在 Ru 位点的掺杂如何影响金属-绝缘体转变及自旋玻璃序的出现？
• RQ3 在 Co 掺杂 Ca(Co0.15Ru0.85)O3 中观察到的异常量子连续体涨落的本质是什么，其如何与自旋玻璃序共存？
• RQ4 掺杂引起的无序在多大程度上稳定或介导了该体系中的量子临界涨落？
• RQ5 为何 CaRuO3 中的量子涨落在高磁场下仍保持稳定，表明其具有高度稳定的量子态？

主要发现

• CaRuO3 的电输运率遵循幂律依赖关系 ρ ∝ T^1.42(0.06)，在 30 K 以下确认其处于非费米液体态。
• 静态磁化率频率无关，且在约 80 K 处呈现微小峰，但中子散射未检测到长程磁序。
• 非弹性中子散射在 1.5 K 时揭示出低于 1 meV 的宽幅、低能自旋激发连续体，即使在 10 T 磁场下仍持续存在。
• 在 Co 掺杂的 Ca(Co0.15Ru0.85)O3 中，深处于玻璃相区域观察到弱自旋玻璃序与量子连续体涨落的共存。
• 量子涨落在高磁场下仍保持稳定，表明其具有高度稳定、可能为量子临界性的自旋液体样基态。
• 局域激发与连续体涨落的共存表明，在掺杂钌酸盐中，无序、局域化与量子临界性之间存在复杂相互作用。