[论文解读] Discovery of nanoscale phase coexistence of heavy Fermi-liquid and metallic spin-liquid in geometrically frustrated Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$

Mariam Kavai, Joel M. Friedman+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

通过扫描隧道显微镜和机器学习分析，该研究在Pr₂Ir₂O₇中发现了重费米子液体与金属自旋液体态的纳米尺度相共存，揭示了在量子临界点附近具有幂律相关性的类似分形的空间结构，表明空间势能变化可调节Kondo纠缠与几何阻挫，从而稳定金属自旋液体态。

ABSTRACT

The interplay of spin-orbit interaction and geometric frustration of local Ir spins drives the long-range magnetic order in pyrochlore iridate family, R$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ (R = lanthanide), into a paramagnetic state at near-zero temperatures. Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ lies at a tuning-free quantum critical point and exhibits a diverse array of complex phenomena including an underscreened Kondo effect, biquadratic band structure, metallic spin-liquid (MSL), and anomalous Hall effect$^{2-5}$. Using spectroscopic imaging with the scanning tunneling microscope, complemented with machine learning K-means clustering analysis, density functional theory, and theoretical modeling, we probe the electronic states in single crystal of Pr$_{2}$Ir$_{2}$O$_{7}$ and discover an unprecedented nanoscale electronic phase separation. Regions of heavy Fermi-liquid (HFL) with a well-defined Kondo resonance are interweaved with a non-magnetic metallic phase with Kondo-destruction that is suggestive of the candidate MSL. Remarkably, the spatial nanoscale patterns display a correlation-driven fractal geometry with power-law behavior extended over two and a half decades, consistent with being in proximity to a critical point. Our discovery reveals a new nanoscale tuning route to realize a MSL, viz. using a spatial variation of the electronic potential as a means of adjusting the balance between Kondo entanglement and geometric frustration.

研究动机与目标

• 研究接近量子临界点的尖晶石型铱酸盐Pr₂Ir₂O₇的电子基态。
• 在纳米尺度上解析竞争性量子相（包括重费米子液体与金属自旋液体）的共存行为。
• 确定空间电子非均匀性是否驱动金属自旋液体态的出现。
• 探讨Kondo屏蔽与几何阻挫在稳定量子自旋液体行为中的作用。
• 通过电子结构的空间相关性识别涌现的临界现象。

提出的方法

• 采用扫描隧道显微镜的谱学成像技术，绘制单晶Pr₂Ir₂O₇中局部电子态的分布。
• 应用无监督机器学习（K均值聚类）对STM数据中的空间异质电子相进行分类。
• 利用密度泛函理论计算模拟电子结构，并验证观测到的相。
• 进行理论建模以解释Kondo屏蔽与几何阻挫之间的相互作用。
• 分析电子相的空间相关性，检测幂律行为与分形几何。
• 绘制Kondo共振与Kondo破坏区域的分布，以识别金属自旋液体的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pr₂Ir₂O₇在纳米尺度上的电子相共存性质是什么？
• RQ2 Kondo纠缠与几何阻挫如何相互作用以稳定金属自旋液体态？
• RQ3 共存相的空间相关性结构如何？是否表现出临界标度行为？
• RQ4 电子势的空间变化是否能够调节Kondo屏蔽与自旋阻挫之间的平衡？
• RQ5 电子非均匀性在量子临界点附近驱动金属自旋液体出现的过程中起什么作用？

主要发现

• 观察到重费米子液体（具有明确的Kondo共振）与一种暗示金属自旋液体的非磁性金属相在纳米尺度上的共存。
• 这些相的空间排列表现出具有幂律相关性的分形几何，其长度尺度跨度超过两个甲子。
• 观测到的纳米尺度图案与接近量子临界点的状态一致。
• Kondo破坏区域（表明Kondo屏蔽被抑制）在空间上与金属自旋液体候选相相关联。
• 电子势能景观被确定为稳定金属自旋液体态的关键调控参数。
• Kondo纠缠与几何阻挫的相互作用由空间非均匀性介导，为量子自旋液体的形成提供了新途径。