[论文解读] Persistent insulating behavior in 5d transition metal oxides Sr2IrO4 and Sr3Ir2O7 at high pressures

D. A. Zocco, J. J. Hamlin+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本研究调查了5d铱酸盐氧化物Sr2IrO4和Sr3Ir2O7在高压下的电阻力率，发现在55 GPa以下Sr2IrO4中存在持续的绝缘行为，而Sr3Ir2O7在104 GPa以下的能隙能量和电阻显著降低，表明其接近金属-绝缘体转变。结果凸显了强电子关联和自旋-轨道耦合在极端压力下稳定绝缘态的作用。

ABSTRACT

Iridium-based 5d transition-metal oxides are attractive candidates for the study of correlated electronic states due to the interplay of enhanced crystal-field, Coulomb and spin-orbit interaction energies. At ambient pressure, these conditions promote a novel Jeff = 1/2 Mott insulating state, characterized by a gap of the order of ~0.1 eV. We present high-pressure electrical resistivity measurements of single crystals of Sr2IrO4 and Sr3Ir2O7. While no indications of a pressure-induced metallic state up to 55 GPa were found in Sr2IrO4, a strong decrease of the gap energy and of the resistance of Sr3Ir2O7 between ambient pressure and 104 GPa confirm that this compound is in the proximity of a metal-insulator transition.

研究动机与目标

• 探究5d过渡金属氧化物Sr2IrO4和Sr3Ir2O7在极端压力下的电子响应。
• 确定高压是否会在这些关联电子系统中诱导金属-绝缘体转变。
• 研究在强自旋-轨道耦合和电子关联作用下，Jeff = 1/2 Mott绝缘态在压力下的稳定性。
• 量化随着压力增加，能隙能量和电阻的变化，特别是在Sr3Ir2O7中。

提出的方法

• 采用立方顶砧装置对Sr2IrO4和Sr3Ir2O7的单晶进行了高达104 GPa的高压电阻力率测量。
• 对Sr2IrO4的测量在常压至55 GPa范围内进行，而对Sr3Ir2O7的测量扩展至104 GPa，以探测电子相变。
• 通过分析电阻率行为，检测金属导电或能隙闭合的特征。
• 将理论预期的压致金属-绝缘体转变与实验数据进行对比。
• 根据电阻率趋势和温度依赖性推断Mott能隙能量的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管Sr2IrO4在常压下具有强自旋-轨道耦合和Mott绝缘基态，高压是否会在其中诱导出金属态？
• RQ2 Sr3Ir2O7中的Mott能隙在压力增加时如何演化，且在104 GPa之前是否已闭合？
• RQ3 Sr3Ir2O7在压力下是否接近金属-绝缘体转变的量子临界点？
• RQ4 电子关联和自旋-轨道耦合在极端压力下稳定绝缘态中起何种作用？
• RQ5 仅靠电阻率测量能否检测到这些5d氧化物中金属行为的起始？

主要发现

• 在高达55 GPa的压力下，Sr2IrO4中未观察到压致金属态的证据，表明其在极端压缩下具有强健的绝缘行为。
• Sr3Ir2O7的电阻率随压力增加而显著降低，表明Mott能隙被抑制。
• 在常压至104 GPa之间，Sr3Ir2O7中观察到Mott能隙能量的强烈降低，表明其接近金属-绝缘体转变。
• Sr3Ir2O7的电阻率行为未表现出恢复或金属反常上升的迹象，支持能隙的连续抑制。
• 结果表明，Sr3Ir2O7处于量子临界点附近，而Sr2IrO4在压力下仍为稳定的Mott绝缘体。
• Sr2IrO4中绝缘行为的持续存在凸显了Jeff = 1/2态在高压下的稳定性。