[논문 리뷰] Tuning the electronic properties of J_eff=1/2 correlated semimetal in epitaxial perovskite SrIrO3

Jian Liu, J.-H. Chu외 12명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 08.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 에pi택셜 퍼보스카이트 SrIrO3에서 기계적 스트레인에 의해 전자적 성질을 조절 가능함을 보여주며, 높은 조절성이 있는 전자-정공 대칭성을 가진 $J_{\rm eff}=1/2$ 상관 반도체 금속을 규명한다. 에피택셜 스트레인을 적용함으로써 연구자들은 패피면 크기와 실효질량을 제어하며, 인장 스트레인은 전자-정공 대칭성과 상관성을 강화하고, 圧축 스트레인은 강한 비대칭성을 유도함으로써 5d 산화물에서 토폴로지적 양자 상태를 설계할 수 있는 길을 열어준다.

ABSTRACT

We investigated the electronic properties of epitaxially stabilized perovskite SrIrO3 and demonstrated the effective strain-control on its electronic structure. Comprehensive transport measurements showed that the strong spin-orbit coupling renders a novel semimetallic phase for the J_eff=1/2 electrons rather than an ordinary correlated metal, elucidating the nontrivial mechanism underlying the dimensionality-controlled metal-insulator transition in iridates. The electron-hole symmetry of this correlated semimetal was found to exhibit drastic variation when subject to bi-axial strain. Under compressive strain, substantial electron-hole asymmetry is observed in contrast to the tensile side, where the electron and hole effective masses are comparable, illustrating the susceptivity of the J_eff=1/2 to structural distortion. Tensile strain also shrinks the Fermi surface, indicative of an increasing degree of correlation which is consistent with optical measurements. These results pave a pathway to investigate and manipulate the electronic states in spin-orbit-coupled correlated oxides, and lay the foundation for constructing 5d transition metal heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 일반적으로 부피 형태로는 안정하지 않은 단일 결정 에피택셜 퍼보스카이트 SrIrO3 필름을 안정화시키기.
• SrIrO3의 $J_{\rm eff}=1/2}$ 상태에서 강한 스핀-오비탈 결합(SOC)과 전자 상관성 간의 상호작용을 조사하기.
• 에피택셜 스트레인이 이 상관 반도체 금속의 전자 구조와 전기적 성질에 어떻게 영향을 미치는지 탐색하기.
• 스트레인 조건에서 $J_{\rm eff}=1/2}$ 상태가 전자-정공 대칭성과 강화된 상관성을 갖는지 확인하기.
• 설계된 토폴로지적 및 상관 양자 상을 갖는 5d 전이 금속 산화물 이종구조를 설계하기 위한 기초 마련하기.

제안 방법

• 이sovolumetric 기질(스토륨 티타네이트, 니오브이트, 게르마늄 산화물, 니 kobium 산화물)에 에피택셜 박막을 성장시켜 이방성 스트레인을 유도하였다.
• 스트레인과 온도의 함수로 실현된 실효질량, 이동도, 홀 계수($R_{\rm H}$)를 추출하기 위해 종합적인 전기적 측정을 수행하였다.
• 0.3–1.3 eV 범위에서의 간섭광학적 전이를 탐색하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하였다. 이로써 $J_{\rm eff}=3/2}$ 에서 $J_{\rm eff}=1/2}$ 전이 피크를 규명하였다.
• 반사도 피크의 위치 변화를 스트레인에 따라 분석함으로써 밴드 오버랩과 Mott 갭의 진화를 연관시켰다.
• 이론적 분석을 통해 관측된 전기적 및 광학적 반응이 상관성 정도와 전자-정공 대칭성 파괴의 정도와 연결됨을 규명하였다.
• 격자 불일치를 체계적으로 변화시켜 테트라고날 비대칭성과 그에 따른 $J_{\rm eff}=1/2}$ 밴드의 전자 구조를 조절하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에피택셜 스트레인이 SrIrO3의 $J_{\rm eff}=1/2}$ 상관 반도체 금속에서 전자-정공 대칭성을 어떻게 조절하는가?
• RQ2 스핀-오비탈 결합과 전자 상관성이 에피택셜 SrIrO3에서 반도체 금속 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 스트레인이 $J_{\rm eff}=1/2}$ 밴드의 패피면 크기와 실효질량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 광학적 및 전기적 측정 결과에 따르면, 인장 스트레인이 전자-정공 대칭성과 상관성을 얼마나 강화하는가?
• RQ5 SrIrO3의 Mott 전이가 $J_{\rm eff}=1/2}$ 상태의 스트레인 공학을 통해 탐지되고 제어될 수 있는가?

주요 결과

• 에피택셜 SrIrO3의 $J_{\rm eff}=1/2}$ 밴드는 전기적 측정을 통해 확인된 작은 실효질량을 가진 반도체 금속 행동을 나타낸다.
• 압축 스트레인 조건에서는 전자-정공 비대칭성이 크게 증가하며, 전자가 정공보다 훨씬 더 높은 이동도를 보인다.
• 인장 스트레인은 전자-정공 대칭성을 향상시켜 전자와 정공의 실효질량 차이를 감소시킨다.
• 패피면은 인장 스트레인 조건에서 수축하며, 이는 밴드 오버랩 감소와 상관성 증가를 의미하며, 광학 측정 결과와 일치한다.
• 약 0.7 eV에서 관측된 간섭광학 전이 피크는 인장 스트레인 조건에서 고에너지 쪽으로 50 meV 이동하며, 이는 밴드 간격 증가와 Mott 갭 증가를 시사한다.
• 피크 이동은 상관성 강화와 Mott 절연체 상태에의 가까이 다가서는 것을 반영하며, 밀도 상태 또는 국소화된 패킷의 감소를 암시한다.