[论文解读] Non-Fermi-liquid behavior and pseudogap formation in $\delta$-doped SmTiO$_3$

Frank Lechermann|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2016

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 3

一句话总结

本研究采用密度泛函理论与动态平均场理论相结合的方法，研究了$δ$-掺杂SmTiO$_3$中的非费米液体行为及赝能隙形成机制。该方法揭示了多轨道电子输运行为，其中导电层与莫特绝缘体层共存，同时发现由反铁磁涨落中电子-电子散射引起的赝能隙特征。

ABSTRACT

The Mott-insulating distorted perovskite SmTiO$_3$, doped with a single SrO layer in a quantum-well architecture is studied by the combination of density functional theory with dynamical mean-field theory. A rich correlated electronic structure in line with recent experimental investigations is revealed by the given realistic many-body approach to a large-unit-cell oxide heterostructure. Coexistence of conducting and Mott-insulating TiO$_2$ layers prone to magnetic order gives rise to multi-orbital electronic transport beyond standard Fermi-liquid theory. Hints towards a pseudogap opening due to electron-electron scattering within a background of antiferromagnetic fluctuations are detected.

研究动机与目标

• 理解在单层SrO构成的量子阱结构中$δ$-掺杂SmTiO$_3$的电子结构。
• 研究在具有大晶胞的关联氧化物异质结构中非费米液体行为的出现机制。
• 探讨掺杂钙钛矿中莫特绝缘行为、磁序与电子输运之间的相互作用。
• 确定赝能隙的形成是否源于反铁磁涨落背景下的电子-电子散射。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）模拟$δ$-掺杂SmTiO$_3$异质结构的几何与电子结构。
• 应用动态平均场理论（DMFT）以考虑Ti 3d轨道中的强电子-电子关联。
• 在自洽框架下结合DFT与DMFT，描述真实大晶胞氧化物体系中的关联电子态。
• 分析谱函数与动力学响应，以探测非费米液体行为及赝能隙形成的特征。
• 利用DFT+DMFT方法，揭示超越标准费米液体理论的多轨道输运特性。
• 研究反铁磁涨落在介导电子散射及赝能隙发展中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 以SrO层进行$δ$-掺杂如何改变莫特绝缘体SmTiO$_3$的电子结构？
• RQ2 共存的导电层与莫特绝缘体TiO$_2$层中的电子输运性质为何种本质？
• RQ3 反铁磁涨落在赝能隙形成中起到了多大程度的贡献？
• RQ4 在波动的磁性背景中，电子-电子散射是否可解释非费米液体行为？
• RQ5 多轨道关联如何影响该氧化物异质结构中的输运与谱学性质？

主要发现

• DFT+DMFT方法揭示了$δ$-掺杂SmTiO$_3$中存在复杂的电子结构，其中导电层与莫特绝缘体层共存。
• 观测到多轨道电子输运行为，其偏离标准费米液体行为，归因于强关联与竞争序。
• 检测到赝能隙存在的证据，其源于反铁磁涨落背景中的电子-电子散射。
• 该体系在谱函数与动力学响应中表现出非费米液体行为的特征。
• 发现反铁磁涨落在介导导致赝能隙形成的散射过程中起着关键作用。
• 本研究为大晶胞氧化物异质结构提供了真实的多体描述，与近期实验观测结果一致。