[论文解读] Microscopic Route to Nematicity in Sr3Ru2O7

Christoph M. Puetter, Jeffrey G. Rau+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

该论文基于包含t2g轨道、自旋-轨道耦合以及RuO6八面体旋转的紧束缚模型，提出了一种Sr3Ru2O7中向列性微观机制，该机制在费米能级附近产生范霍夫奇点。向列相源于铁磁序与向列序之间的竞争，其中近邻相互作用通过主要在(±π,0)和(0,±π)附近的以dxy轨道主导的γ2能带中诱导各向异性费米面畸变，从而抑制了铁磁性。

ABSTRACT

An anisotropic metallic phase dubbed electronic nematic phase bounded by two consecutive metamagnetic transitions has been reported in the bilayer ruthenate Sr3Ru2O7. It has also been shown that the nematic and the accompanying metamagnetic transitions are driven by an effective momentum-dependent quadrupole-type interaction. Here, we study the microscopic origin of such an effective interaction. To elucidate the mechanism behind the spontaneous Fermi surface distortion associated with the nematic, we identify a simple tight binding model based on t2g orbitals, spin-orbit coupling and the rotation of RuO6 octahedra as starting point, consistent with the Fermi surface obtained from recent angle-resolved photoemission data. Within an extended Hubbard model the nematic state, characterized by an anisotropy between the bands near $(\pm π,0)$ and $(0,\pm π)$, then strongly competes with ferromagnetic order but pre-empts it via a finite nearest neighbor interaction. We discuss experimental means to confirm our proposal.

研究动机与目标

• 确定Sr3Ru2O7中电子向列性的微观起源，该现象出现在两次亚铁磁转变之间。
• 将驱动向列性的有效动量依赖四极相互作用与基于t2g轨道和自旋-轨道耦合的现实电子能带结构相协调。
• 解释为何在强原子间排斥作用倾向于促进铁磁性的情况下，向列序仍先于铁磁序出现。
• 提出实验测试方法，如扫描隧道显微镜和量子振荡，以区分该机制与其它轨道有序情景。

提出的方法

• 构建一个单层紧束缚模型，使用t2g轨道（dxy、dxz、dyz），包含自旋-轨道耦合以及由于RuO6八面体旋转引起的原胞加倍。
• 模型包括近邻跃迁、原子间库仑排斥作用（U）和轨道间相互作用（V），参数经调整以重现角分辨光电子能谱（ARPES）测得的费米面拓扑结构。
• 通过序参量 ∑k[cos(kx)−cos(ky)]n_k 描述准粒子密度在(±π,0)与(0,±π)点之间的各向异性，表征向列态。
• 采用多轨道Hubbard模型研究竞争性不稳定性，利用平均场理论分析向列、铁磁和自旋向列通道。
• 分析在布里渊区角点附近出现的范霍夫奇点（vHS）作为增强向列序 susceptibility 的关键因素。
• 考虑双层耦合，但发现其对向列序影响较小，因此重点集中于单层有效模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 鉴于Sr3Ru2O7靠近亚铁磁转变且具有各向异性电阻率，其向列态的微观机制是什么？
• RQ2 自旋-轨道耦合、八面体旋转与t2g轨道杂化如何共同作用，形成有利于向列序的范霍夫奇点？
• RQ3 尽管原子间排斥作用强烈倾向于铁磁性，为何向列序仍先于铁磁序出现？
• RQ4 近邻相互作用在何种机制下使向列序能够在竞争性不稳定性存在下抢先于铁磁性出现？
• RQ5 如何通过实验手段将此dxy驱动的向列机制与基于准一维轨道有序的其他假设区分开来？

主要发现

• 向列相主要由以dxy轨道主导的γ2能带在(±π,0)和(0,±π)点附近的各向异性费米面畸变驱动。
• 原子间同轨道排斥作用强烈倾向于铁磁序，而原子间异轨道相互作用则略微倾向于向列序，优于铁磁和自旋向列通道。
• 近邻相互作用显著增强了电荷和自旋向列序的 susceptibility，使得向列相变在铁磁序出现之前发生。
• 自旋-轨道耦合与八面体旋转的结合在布里渊区角点处产生平坦能带和范霍夫奇点，使系统对向列序高度敏感。
• 该模型重现了与近期角分辨光电子能谱（ARPES）数据一致的观测费米面拓扑结构。
• 提出扫描隧道显微镜和量子振荡等实验探测手段，以区分此dxy驱动的向列机制与其它轨道有序情景。