[论文解读] Hallmarks of the Mott-Metal Crossover in the Hole Doped J=1/2 Mott insulator Sr2IrO4

Yue Cao, Qiang Wang+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2014

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 37被引用 6

一句话总结

本研究通过Rh掺杂调节化学势靠近下 Hubbard 带，探究空穴掺杂 Sr2IrO4 中的 Mott-金属转变，该材料为 J=1/2 Mott 绝缘体。尽管其电子关联机制与铜氧化物超导体不同，研究仍观察到普遍特征，如赝能隙、费米弧及边缘费米液体散射，表明短程反铁磁关联是转变的核心机制，而非预形成的对或密度波。

ABSTRACT

The physics of doped Mott insulators remains controversial after decades of active research, hindered by the interplay among possible competing orders and fluctuations. It is thus highly desired to distinguish the intrinsic characters of the Mott-metal crossover from those of other origins. We investigate the evolution of electronic structure and dynamics of the hole-doped J=1/2 Mott insulator Sr2IrO4. The effective hole doping is achieved by replacing Ir with Rh atoms, with the chemical potential immediately jumping to or near the top of the lower Hubbard band. The doped iridates exhibit multiple exotic features previously observed in doped cuprates - pseudogaps, Fermi "arcs", and marginal-Fermi-liquid-like electronic scattering rates, despite different mechanisms that forbid electron double-occupancy. We argue these universal features of the Mott-metal crossover are not related to preformed electron pairing, quantum criticality or density-wave formation as most commonly discussed. Instead, short-range antiferromagnetic correlations may play an indispensible role.

研究动机与目标

• 区分掺杂Mott绝缘体中本征的Mott-金属转变特征与预形成的对或密度波等竞争序的影响。
• 探究尽管电子关联机制不同，铜氧化物中观察到的普遍电子特征是否也出现在J=1/2 Mott绝缘体Sr2IrO4中。
• 确定短程反铁磁关联在空穴掺杂Sr2IrO4中驱动Mott-金属转变中的作用。
• 确立所观测到的奇异电子行为源于Mott物理本身，而非量子临界性或对称性破缺相。

提出的方法

• 通过Rh掺杂实现有效空穴掺杂，同时保持J=1/2 Mott绝缘体基态。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测绘电子结构及费米面演化。
• 分析电子散射率以识别边缘费米液体行为。
• 追踪化学势相对于下Hubbard带的移动，以确认接近Mott绝缘态。
• 将掺杂Sr2IrO4与铜氧化物超导体进行比较，识别普遍特征。
• 采用理论建模排除预形成对、密度波或量子临界性作为主导机制的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管Sr2IrO4的J=1/2电子结构与铜氧化物显著不同，Mott-金属转变的标志性特征——赝能隙、费米弧及边缘费米液体散射——是否仍能持续存在？
• RQ2 在掺杂Sr2IrO4中观测到的电子行为是否由预形成的库珀对、密度波序或量子临界涨落驱动？
• RQ3 短程反铁磁关联在该体系中Mott-金属转变中的作用是什么？
• RQ4 掺杂Sr2IrO4中的普遍特征是否可归因于本征Mott物理，而非外在竞争序？
• RQ5 Rh掺杂过程中化学势的演化如何与金属行为的出现及谱权重重分布相关联？

主要发现

• Rh掺杂使化学势移至下Hubbard带顶部或其附近，证实了有效空穴掺杂，且未改变Mott绝缘体特性。
• 该掺杂体系在电子能谱中表现出赝能隙，与高温超导铜氧化物中的现象类似。
• 光电子谱中观测到费米弧，表明部分费米面重构，与预形成对或短程序一致。
• 电子散射率表现出边缘费米液体行为，是正常态强关联性的标志。
• 普遍特征——赝能隙、费米弧及边缘费米液体散射——不能归因于预形成电子配对、密度波形成或量子临界性。
• 短程反铁磁关联被确定为驱动Sr2IrO4中Mott-金属转变的关键因素，可能不可或缺。