[논문 리뷰] Universal size-dependent nonlinear charge transport in single crystals of the Mott insulator Ca$_2$RuO$_4$

Guerino Avallone, Remko Fermin외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 12.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 62인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고순도 Ca2RuO4 단일결정에서의 크기 의존성 비선형 전하 이동을 조사하여, 시 mẫu의 횡단면 면적이 감소함에 따라 절연체-금속 전이를 유도하기 위한 전류 밀도가 네 계단 증가하는 것으로 밝혀졌다. 마이크로스케일 플라티넘 온도계를 통합하고 열 시뮬레이션을 수행한 결과, 이러한 크기 의존성이 줄열 가열에 기인하지 않음을 입증하여, 비평형 상전이에서 열 효과가 아닌 비균일한 전류 분포가 주요 메커니즘임을 시사한다.

ABSTRACT

The surprisingly low current density required for inducing the insulator to metal transition has made Ca$_2$RuO$_4$ an attractive candidate material for developing Mott-based electronics devices. The mechanism driving the resistive switching, however, remains a controversial topic in the field of strongly correlated electron systems. Here we probe an uncovered region of phase space by studying high-purity Ca$_2$RuO$_4$ single crystals, using the sample size as principal tuning parameter. Upon reducing the crystal size, we find a four orders of magnitude increase in the current density required for driving Ca$_2$RuO$_4$ out of the insulating state into a non-equilibrium (also called metastable) phase which is the precursor to the fully metallic phase. By integrating a microscopic platinum thermometer and performing thermal simulations, we gain insight into the local temperature during simultaneous application of current and establish that the size dependence is not a result of Joule heating. The findings suggest an inhomogeneous current distribution in the nominally homogeneous crystal. Our study calls for a reexamination of the interplay between sample size, charge current, and temperature in driving Ca$_2$RuO$_4$ towards the Mott insulator to metal transition.

연구 동기 및 목표

• Ca2RuO4에서 절연체-금속 전이(IMT)를 유도하기 위한 전류 밀도가 시료 크기에 어떻게 영향을 받는지 조사하기 위해.
• IMT가 전자적 효과인지 줄열 가열에 의해 유도되는지에 대한 논란을 해결하기 위해 열적 기여와 전류 기여를 분리하기 위해.
• 초순도이자 크기 조절이 가능한 단일결정을 사용하여, 전체 금속 상태에 이르기 이 gest된 비평형(비가역적) 상을 탐색하기 위해.
• 전류 공급 중 국소 온도를 직접 측정하기 위해 마이크로프abricated 플라티넘 온도계를 사용하여 열 효과가 크기 의존성의 기원이 되는지 여부를 배제하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리 및 집중 이온 비임(FOB) 연마를 통해 횡단면 면적이 0.5 µm²에서 0.5 mm²인 39개의 초순도 Ca2RuO4 단일결정을 제작하였다.
• 전류를 ab 평면에 가한 전기적 운반 측정을 수행하였으며, E(J)-특성에 의해 비평형 상을 가역적으로 탐색하였다.
• 전류 흐름 중 국소 온도를 직접 측정하기 위해 결정에 마이크로스케일 플라티넘 온도계(5–10 µm)를 통합하였다.
• 측정된 열소산과 고정된 기초 온도 경계 조건을 사용하여 COMSOL Multiphysics를 사용한 열 시뮬레이션을 수행하였다.
• 실제 전류 밀도가 표본 가장자리에서부터 거리에 따라 등급법 감쇠하는 것으로 가정한 현상학적 단순 모델을 사용하여 전류 밀도의 비균일성을 모델링하였다.
• 시뮬레이션된 온도 프로파일과 측정된 국소 온도를 비교하여 플라티넘 센서가 국소 온도계로서의 정확도를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시료 크기가 Ca2RuO4의 비평형(비가역적) 상으로의 전이를 유도하기 위한 전류 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 관측된 전류 임계값의 크기 의존성이 줄열 가열에 기인한 것인지 아니면 본질적인 전류 비균일성에 기인한 것인가?
• RQ3 직접적인 국소 온도 측정이 크기 의존성 전이 임계값의 기원으로서 열 효과를 배제할 수 있는가?
• RQ4 마이크론 크기의 Ca2RuO4 플레이크의 횡단면에서 전류 밀도의 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ5 이전에 XRD 및 라만 분석을 통해 관측된 비평형 상은 작은 시료에서의 매크로스코픽 전류-전압 응답과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 시료의 횡단면 면적이 mm 스케일에서 마이크론 이하 스케일로 감소함에 따라, 비평형 상에 도달하기 위한 전류 밀도가 네 계단 증가한다.
• 마이크로스케일 플라티넘 온도계는 국소 온도를 정확하게 측정하며, 국소 온도와 전력 밀도 사이에 일대일 대응 관계를 보인다.
• 열 시뮬레이션 결과, Figure of Merit(FOM) 전류 밀도에서 결정 내 온도 변화는 3 K 이내로 미미한 온도 기울기가 있음을 확인하였다.
• 관측된 전류 임계값의 크기 의존성이 줄열 가열에 의해 설명될 수 없음을 확인하였으며, 국소 온도 상승이 이 효과의 크기를 설명하기에는 부족하다.
• 데이터는 전류 밀도가 표본 가장자리에서 중심으로 향해 감소하는 비균일한 전류 분포에 의해 가장 잘 설명된다.
• 실제 전류 밀도(Jact ∝ l−a)가 가장자리에서부터 거리에 따라 등급법 감쇠하는 것으로 가정한 현상학적 모델은 관측된 표면 전류 밀도(Japp ∝ A−a)의 A−a 의존성을 재현하며, 실험 데이터와 일치한다.