[论文解读] Band-Selective Modification of the Magnetic Fluctuations in Sr2RuO4: Study of Substitution Effects

Naoki Kikugawa, C. Bergemann+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2002

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究通过用La3+取代Sr2+，对自旋三重态超导体Sr2RuO4中的磁涨落进行能带选择性调控，实现电子掺杂。结合输运、比热和磁化率测量，结果表明：当γ能带费米面接近范霍夫奇点时，二维铁磁自旋涨落被增强，导致在y ≈ 0.20附近出现非费米液体行为；而Ti取代则通过α–β嵌套增强反铁磁涨落。

ABSTRACT

We report a study of magnetic, thermal, and transport properties of La(3+) substituted Sr2RuO4, performed in order to investigate the effects of additional electron doping in this correlated metal. A gradual enhancement of the electronic part of specific heat and a more drastic increase of the static magnetic susceptibility were observed in Sr(2-y)La(y)RuO(4) with increasing y. Furthermore, the quasi-two-dimensional Fermi-liquid behavior seen in pure Sr2RuO4 breaks down near the critical concentration y ~ 0.20. Combined with a realistic tight-binding model with rigid-band shift of Fermi level, the enhancement of the density of states can be ascribed to the elevation of the Fermi energy toward a van Hove singularity of the thermodynamically dominant γFermi-surface sheet. On approaching the van Hove singularity, the effective nesting-vector of the γband shrinks and further enhances the susceptibility near the wave vector q ~ 0. We attribute the non-Fermi-liquid behavior to two-dimensional ferromagnetic fluctuations with short range correlations at the van Hove singularity. The observed behavior is in sharp contrast to that of Ti(4+) substitution in Sr2RuO4 which enhances antiferromagnetic fluctuations and subsequently induces incommensurate magnetic ordering associated with the nesting between the other Fermi-surface sheets (αand β). We thus establish that substitution of appropriate chemical dopants can band-selectively modify the spin-fluctuation spectrum in the spin-triplet superconductor Sr2RuO4.

研究动机与目标

• 研究通过La3+取代在Sr2RuO4中引入电子掺杂对磁性、热学和输运性质的影响。
• 确定电子掺杂是否选择性增强特定费米面片层（尤其是γ能带）的自旋涨落。
• 研究与范霍夫奇点相关的量子临界点附近非费米液体行为的出现机制。
• 对比La3+掺杂（铁磁涨落）与Ti4+掺杂（反铁磁涨落）在调控自旋涨落谱中的不同效应。
• 证实化学取代可在多带关联金属Sr2RuO4中实现能带选择性调控自旋涨落。

提出的方法

• 对y = 0至0.27的Sr2-yLayRuO4体系进行了高精度的比热、电输运和静态磁化率测量。
• 采用包含刚性能带位移的合理紧束缚模型，描绘γ能带费米能级向范霍夫奇点（vHS）演化过程。
• 计算Lindhard磁化率，分析掺杂过程中γ能带费米面的嵌套矢量演化。
• 将观测到的非费米液体行为（电阻率指数n ≈ 1.4）与二维铁磁自旋涨落的理论预测进行比较。
• 与Ti4+共掺杂的Sr2Ru1-xTixO4体系对比，突出自旋涨落在能带选择性上的影响。
• 利用从de Haas-van Alphen和角分辨光电子能谱（ARPES）获得的实验费米面数据，分析费米面拓扑结构和态密度（DOS）的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 La3+取代Sr2+在Sr2RuO4中如何改变电子结构与自旋涨落谱？
• RQ2 γ能带费米面在范霍夫奇点附近如何驱动非费米液体行为？
• RQ3 为何La共掺杂诱导铁磁自旋涨落，而Ti共掺杂则诱导反铁磁序？
• RQ4 γ能带的嵌套矢量如何随电子掺杂演化？其对磁化率有何影响？
• RQ5 在多带关联金属中，化学掺杂能否选择性增强特定费米面片层的自旋涨落？

主要发现

• 电子比热系数随La掺杂逐渐增大，表明费米能级附近态密度（DOS）增强。
• 静态磁化率随掺杂急剧上升，表明自旋涨落增强，尤其在y ≈ 0.20附近最为显著。
• 在y_c ≈ 0.20附近观察到准二维费米液体行为的破坏，表现为电阻率指数n ≈ 1.4。
• DOS和磁化率的增强归因于费米能级趋近于γ能带的范霍夫奇点（vHS），该vHS位于本征Sr2RuO4中费米能级以下49 meV处。
• γ能带的嵌套矢量从y = 0时的Q_ic^γ ≈ (0.2π, 0.2π, 0) 演化至y ≈ 0.20时的Q_ic^γ ≈ 0，促进铁磁自旋涨落。
• 在y ≈ 0.20处观测到的非费米液体行为与二维铁磁自旋涨落一致，其理论预测指数n = 4/3，与实验观测的n ≈ 1.4相符。