[论文解读] Electronic phase separation in the doped spin-orbit driven Mott phase of Sr3(Ir1-xRux)2O7

Chetan Dhital, Tom Hogan+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用 2

一句话总结

本研究揭示，在强自旋-轨道耦合的J=1/2 Mott绝缘体Sr3(Ir1-xRux)2O7中进行空穴掺杂会引发纳米尺度电子相分离，尽管库仑相互作用U减小，载流子仍局域在不同区域。当掺杂浓度超过临界值时，通过渗流机制发生的金属-绝缘体转变稳定了反铁磁金属相，表明即使在自旋-轨道耦合的5d体系中，载流子局域化和U依然至关重要，其行为与3d Mott体系中的表现相似。

ABSTRACT

Interest in many strongly spin-orbit coupled 5d-transition metal oxide insulators stems from mapping their electronic structures to a J=1/2 Mott phase. One of the hopes is to establish their Mott parent states and explore these systems' potential of realizing novel electronic states upon carrier doping. However, once doped, little is understood regarding the role of their reduced Coulomb interaction U relative to their strongly correlated 3d-electron cousins. Here we show that, upon hole-doping a candidate J=1/2 Mott insulator, carriers remain localized within a nanoscale phase separated ground state. A percolative metal-insulator transition occurs with interplay between localized and itinerant regions, stabilizing an antiferromagnetic metallic phase beyond the critical region. Our results demonstrate a surprising parallel between doped 5d- and 3d-electron Mott systems and suggest either through the near degeneracy of nearby electronic phases or direct carrier localization that U is essential to the carrier response of this doped spin-orbit Mott insulator.

研究动机与目标

• 理解强自旋-轨道耦合的掺杂5d过渡金属氧化物的电子响应，特别是其Mott绝缘体母相背景下的行为。
• 研究5d体系中库仑相互作用U减小对载流子动力学和电子相稳定性的影响。
• 确定掺杂5d Mott体系是否表现出与3d体系类似的特性，尤其是相分离和局域化行为。
• 探索在自旋-轨道驱动的Mott绝缘体中掺杂后出现的新奇电子相（如反铁磁金属相）的形成机制。

提出的方法

• 通过在Sr3(Ir1-xRux)2O7中引入Ru取代实现空穴掺杂，调节载流子浓度并探测电子相演化。
• 利用输运测量识别出与纳米尺度相分离相关的渗流型金属-绝缘体转变。
• 分析磁性与电子响应数据，检测在临界掺杂阈值以上出现的反铁磁金属相的稳定性。
• 将观测到的载流子局域化与相行为与已知的3d Mott体系进行比较，评估U在自旋-轨道耦合材料中的作用。
• 通过空间非均匀电子响应图谱分析局域与巡游电子区域之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在J=1/2 Mott绝缘体Sr3(Ir1-xRux)2O7中，空穴掺杂如何影响电子相稳定性？
• RQ2 5d体系中减小的库仑相互作用U在多大程度上影响载流子局域化与相分离？
• RQ3 该掺杂5d体系是否表现出与3d Mott体系类似的渗流型金属-绝缘体转变？
• RQ4 临界掺杂区域之外的电子相性质为何？其与常规金属态有何不同？
• RQ5 U是否在决定载流子响应方面发挥根本性作用，即使在强自旋-轨道耦合的Mott绝缘体中亦如此？

主要发现

• 在Sr3(Ir1-xRux)2O7中进行空穴掺杂导致纳米尺度电子相分离，尽管U减小，载流子仍保持局域化。
• 观察到渗流型金属-绝缘体转变，其驱动力为局域与巡游电子区域的共存。
• 在临界掺杂水平以上，出现反铁磁金属相，表明长程磁序在金属态中得以稳定。
• 该体系与3d Mott体系表现出出人意料的相似性，表明即使在5d材料中，U仍是载流子响应的关键决定因素。
• 结果表明，电子行为可能由竞争电子相的近简并性或载流子的直接局域化所主导，凸显了U的决定性作用。