[论文解读] Pressure-induced unusual metallic state in EuNiO$_3$

Hisao Kobayashi, Shugo Ikeda+8 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用同步辐射X射线衍射和¹⁵¹Eu核非弹性散射技术，探究了反铁磁绝缘体EuNiO₃中的压力诱导量子相变。研究识别出在约6 GPa处发生压力驱动的绝缘体-金属相变，以及在约10.5 GPa处出现的磁性量子临界点，在该临界点附近出现一种不寻常的反铁磁金属态，表现出非费米液体行为（电阻率 ∝ T¹.⁶），在临界点附近，随后在15 GPa以上转变为费米液体态。

ABSTRACT

The perovskite antiferromagnetic ($T_{ m N}$ $\sim$ 220 K) insulator EuNiO$_3$ undergoes at ambient pressure a metal-to-insulator transition at $T_{ m MI}$ = 460 K which is associated with a simultaneous orthorhombic-to-monoclinic distortion, leading to charge disproportionation. We have investigated the change of the structural and magnetic properties of EuNiO$_3$ with pressure (up to $\sim$ 20 GPa) across its quantum critical point (QCP) using low-temperature synchrotron angle-resolved x-ray diffraction and $^{151}$Eu nuclear forward scattering of synchrotron radiation, respectively. With increasing pressure we find that after a small increase of $T_{ m N}$ ($p$ $\leq$ 2 GPa) and the induced magnetic hyperfine field $B_{ m hf}$ at the $^{151}$Eu nucleus ($p$ $\leq$ 9.7 GPa), both $T_{ m N}$ and $B_{ m hf}$ are strongly reduced and finally disappear at $p_{ m c}$ $\cong$ 10.5 GPa, indicating a magnetic QCP at $p_{ m c}$. The analysis of the structural parameters up to 10.5 GPa reveals no change of the lattice symmetry within the experimental resolution. Since the pressure-induced insulator-to-metal transition occurs at $p_{ m IM}$ $\cong$ 6 GPa, this result implies the existence of an antiferromagnetic metallic state between 6 and 10.5 GPa. We further show from the analysis of the reported high pressure electrical resistance data on EuNiO$_3$ at low-temperatures that in the vicinity of the QCP the system behaves as non-Fermi-liquid, with the resistance changing as $T^{ m n}$, with n=1.6, whereas it becomes a normal Fermi-liquid, n = 2, for pressures above $\sim$15 GPa. On the basis of the obtained data a magnetic phase diagram in the ($p$, $T$) space is suggested.

研究动机与目标

• 研究EuNiO₃在高压下结构、磁性和电子性质的演化。
• 识别并确定反铁磁绝缘体EuNiO₃中量子临界点（QCP）的存在及其性质。
• 确定电荷歧化在高压下的金属相中是否仍然存在。
• 分析临界点附近的电子行为，区分非费米液体与费米液体行为。
• 基于实验数据构建EuNiO₃的完整（压力，温度）相图。

提出的方法

• 采用低温同步辐射角分辨X射线衍射技术，探测高达约20 GPa的压力下结构变化和晶格参数。
• ¹⁵¹Eu核非弹性散射（NFS）测量Eu原子核处的磁超精细场，作为Ni亚晶格磁性的局域探针。
• 提取奈尔温度（T_N）和超精细场（B_hf）随压力的变化关系，以识别磁性量子临界点。
• 利用幂律拟合 R ∝ T^n 分析已报道的低温电阻率数据，以区分非费米液体行为（n ≈ 1.6）与费米液体行为（n = 2）。
• 分析结构参数，检测绝缘体-金属（IM）相变和量子临界相变处的对称性变化或异常。
• 基于X射线、NFS和电阻率数据的综合结果，构建（p, T）相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 EuNiO₃的反铁磁绝缘体基态在高压下是否保持稳定，其崩溃压力在何处？
• RQ2 EuNiO₃中是否存在量子临界点的证据，其压力位置为何？
• RQ3 在约6 GPa的绝缘体-金属相变与约10.5 GPa的磁性QCP之间，电子态的性质是什么？
• RQ4 电子行为（电阻率与温度的关系）如何在量子临界点附近演化，这对其基态本质有何启示？
• RQ5 如结构和电子数据所暗示，电荷歧化在高压下的金属相中是否仍然存在？

主要发现

• EuNiO₃中的绝缘体-金属相变发生在 p_IM ≈ 6 GPa，且在实验分辨率内未检测到晶格参数的显著结构异常。
• 奈尔温度 T_N 和 ¹⁵¹Eu 核处的磁超精细场 B_hf 随压力单调减小，并在 p_c ≈ 10.5 GPa 处消失，表明存在磁性量子临界点。
• 在 p_IM ≈ 6 GPa 和 p_c ≈ 10.5 GPa 之间存在反铁磁金属态，由金属相中磁序的持续存在所证实。
• 在临界点附近（10.5 GPa ≤ p ≤ 14.8 GPa），电阻率遵循非费米液体幂律 R ∝ T^n，其中 n = 1.6。
• 在约15 GPa以上，电阻率遵循费米液体行为，n = 2，表明常规准粒子行为的恢复。
• 分析表明，电荷歧化可能在金属相中仍然存在，因为在IM相变处未检测到显著的对称性变化或结构异常。