[论文解读] Magnetic-Field Tunable Intertwined Checkerboard Charge Order and Nematicity in the Surface Layer of Sr$_2$RuO$_4$

Carolina A. Marques, Luke C. Rhodes+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究证明，Sr₂RuO₄的表面层存在一种由RuO₆八面体旋转驱动的、可由磁场调控的条纹电荷序与向键性交织的电子态。利用原子尺度谱学，识别出费米能级附近存在四个范霍夫奇点，其中一个可由磁场调控，表明在约32 T处发生李斯列茨转变，确立了该表面为可调控的二维关联电子系统。

ABSTRACT

In strongly correlated electron materials, the electronic, spin, and charge degrees of freedom are closely intertwined. This often leads to the stabilization of emergent orders that are highly sensitive to external physical stimuli promising opportunities for technological applications. In perovskite ruthenates, this sensitivity manifests in dramatic changes of the physical properties with subtle structural details of the RuO$_6$ octahedra, stabilizing enigmatic correlated ground states, from a hotly debated superconducting state via electronic nematicity and metamagnetic quantum criticality to ferromagnetism. Here, it is demonstrated that the rotation of the RuO$_6$ octahedra in the surface layer of Sr$_2$RuO$_4$ generates new emergent orders not observed in the bulk material. Through atomic-scale spectroscopic characterization of the low-energy electronic states, four van Hove singularities are identified in the vicinity of the Fermi energy. The singularities can be directly linked to intertwined nematic and checkerboard charge order. Tuning of one of these van Hove singularities by magnetic field is demonstrated, suggesting that the surface layer undergoes a Lifshitz transition at a magnetic field of ~32T. The results establish the surface layer of Sr$_2$RuO$_4$ as an exciting 2D correlated electron system and highlight the opportunities for engineering the low-energy electronic states in these systems.

研究动机与目标

• 研究Sr₂RuO₄表面层中由于结构畸变而与体相不同的新兴电子序。
• 确定表面层中RuO₆八面体旋转对电子结构和关联态的影响。
• 探索利用外加磁场调控电子序的可能性。
• 识别并表征表面层中的低能电子态，特别是范霍夫奇点。

提出的方法

• 采用原子尺度扫描隧道谱学（STS）探测Sr₂RuO₄表面层中的低能电子态。
• 利用角分辨光电子能谱学（ARPES）和表面敏感测量，绘制电子能带结构并识别费米能级附近的范霍夫奇点。
• 系统测量电子态的磁场依赖性，以评估奇点及其相关序的可调性。
• 理论建模将观测到的奇点与由八面体旋转引起的交织向键性与条纹电荷序联系起来。
• 通过外加磁场对范霍夫奇点的调控推断出李斯列茨转变，临界磁场估计约为~32 T。
• 对体相与表面电子性质的对比分析，凸显了表面特异性畸变在稳定新型关联态中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr₂RuO₄表面层中RuO₆八面体旋转如何改变电子结构，相较于体相有何不同？
• RQ2 低能电子态的本质是什么，特别是四个观测到的范霍夫奇点的起源与作用是什么？
• RQ3 在表面层中，电子序参数——向键性与条纹电荷序——能否通过外加磁场进行调控？
• RQ4 在表面层中，李斯列茨转变发生的临界磁场是多少？
• RQ5 表面层在多大程度上存在体相中不存在的新兴关联电子态？

主要发现

• 在Sr₂RuO₄表面层费米能级附近识别出四个范霍夫奇点，表明存在强电子关联。
• 这些奇点与由表面RuO₆八面体旋转稳定的交织向键性与条纹电荷序直接相关。
• 其中一个范霍夫奇点表现出明显的磁场调控特性，临界磁场约为32 T，表明发生了李斯列茨转变。
• 表面层存在一种独特的二维关联电子系统，其具有体相中不存在的新兴序。
• 结果表明，外加磁场可主动调控该表面相中的电子序参数，从而实现对新兴量子态的调控。