[论文解读] Low-energy electronic properties of clean CaRuO$_3$: elusive Landau quasiparticles

Manuel K. Schneider, D. Geiger+9 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 13, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究报道了高质量外延CaRuO₃薄膜，其残余电阻率比高达55，揭示了具有异常低相干尺度的脆弱费米液体基态。低能输运和太赫兹光谱显示，在2–25 K范围内呈现非费米液体行为（T^{3/2}电阻率），在0.6 THz以上呈现非德鲁德光学响应，表明尽管具有洁净的关联电子结构，CaRuO₃仍是光学非费米液体物理的原型体系。

ABSTRACT

We have prepared high-quality epitaxial thin films of CaRuO$_3$ with residual resistivity ratios up to 55. Shubnikov-de Haas oscillations in the magnetoresistance and a $T^2$ temperature dependence in the electrical resistivity only below 1.5 K, whose coefficient is substantially suppressed in large magnetic fields, establish CaRuO$_3$ as a Fermi liquid (FL) with anomalously low coherence scale. Non-Fermi liquid (NFL) $T^{3/2}$ dependence is found between 2 and 25 K. The high sample quality allows access to the intrinsic electronic properties via THz spectroscopy. For frequencies below 0.6 THz, the conductivity is Drude-like and can be modeled by FL concepts, while for higher frequencies non-Drude behavior, inconsistent with FL predictions, is found. This establishes CaRuO$_3$ as a prime example of optical NFL behavior in the THz range.

研究动机与目标

• 通过使用超洁净外延薄膜，解决长期存在的争议：CaRuO₃中的T^{3/2}电阻率是否源于本征电子关联还是无序。
• 利用高精度输运和太赫兹光谱探测CaRuO₃的低能电子结构，以区分费米液体与非费米液体行为。
• 确定在电子关联强度较弱（U ≲ W）但电子关联较强的情况下，自旋涨落与相干尺度的作用。
• 通过将太赫兹电导率数据与理论预测进行比较，检验费米液体理论在光学响应区域的有效性。

提出的方法

• 通过脉冲激光沉积法外延生长CaRuO₃薄膜，以实现高达55的残余电阻率比（RRR），最大限度减少无序效应。
• 测量舒布尼克夫-德哈斯量子振荡，以提取费米面并确认低温区存在准粒子。
• 测量低温电阻力，以识别1.5 K以下的T²费米液体行为以及2–25 K之间的T^{3/2}非费米液体区。
• 采用太赫兹时域光谱法（THz-TDS）在不同温度下测量0.1至1.5 THz范围内的光学电导率实部（σ₁）。
• 理论建模采用Berthod等人提出的局域费米液体方法，结合频率依赖的自能和杂质散射，与实验σ₁数据进行比较。
• 采用简化的德鲁德模型，其中非德鲁德光学响应的散射率具有NFL温度依赖性（1/τ_D ∝ aT^{3/2} + 1/τ₀），以拟合高频区的响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 鉴于其弱局域库仑相互作用，CaRuO₃中的T^{3/2}电阻率是否源于本征电子关联，而非无序？
• RQ2 在太赫兹波段观测到的非德鲁德光学响应是否与费米液体理论一致，还是表明准粒子图像的崩溃？
• RQ3 CaRuO₃中的真实相干尺度T_FL是多少？其在磁场下的响应如何？
• RQ4 尽管靠近磁性量子临界点，高质量外延CaRuO₃薄膜是否仍能表现出脆弱费米液体基态？
• RQ5 在强自旋涨落体系中，顶点修正与非局域效应在光学电导率中起多大作用？

主要发现

• 实现了残余电阻率比RRR = 55的高质量外延CaRuO₃薄膜，使本征电子性质得以实现，且不受无序散射影响。
• 舒布尼克夫-德哈斯振荡证实了清晰定义的准粒子存在，并允许提取费米面，确认在T < 1.5 K时为费米液体态。
• 电阻率在1.5 K以下呈现T²依赖性，在2–25 K之间呈现T^{3/2}依赖性，表明在量子临界点附近存在非费米液体区。
• 相干尺度T_FL在磁场下迅速增加，表明与自旋涨落强烈耦合。
• 在0.6 THz以下的太赫兹电导率表现出与费米液体预测一致的德鲁德行为，但在0.6 THz以上，观察到散射率强烈依赖频率，与费米液体理论不一致。
• 光学电导率数据未显示Berthod等人局域费米液体模型预测的典型非德鲁德平台，且起始频率未随温度变化，表明在光学区局域费米液体描述的失效。