[论文解读] Scaling Behavior of the Longitudinal and Transverse Transport in Quasi One-Dimensional Organic Conductors

Martin Dressel, K. Petukhov+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2004

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 59被引用 49

一句话总结

本研究通过沿 a、b′ 和 c∗ 轴的直流电阻率和无接触微波测量，调查了准一维有机导体 (TMTSF)2PF6 和 (TMTSF)2ClO4 中的各向异性电输运行为。在 (TMTSF)2PF6 中观察到约 100 K 的维度交叉转变，沿 a 和 b′ 方向的输运行为符合 Luttinger 液体行为的幂律标度；而 (TMTSF)2ClO4 在 200 K 以上仅表现出微弱的一维特征和出乎意料的低各向异性，这与跃迁积分的预期相矛盾。

ABSTRACT

We report on dc and microwave experiments of the low-dimensional organic conductors (TMTSF)$_2$PF$_6$ and (TMTSF)$_2$ClO$_4$ along the $a$, $b^{\prime}$, and $c^*$ directions. In the normal state of (TMTSF)$_2$PF$_6$ below T=70 K, the dc resistivity follows a power-law with $ ho_a$ and $ ho_{b^{\prime}}$ proportional to $T^2$ while $ ho_{c^*}\propto T$. Above $T = 100$ K the exponents extracted from the data for the $a$ and $c^*$ axes are consiste1nt with what is to be expected for a system of coupled one-dimensional chains (Luttinger liquid) and a dimensional crossover at a temperature of about 100 K. The $b^\prime$ axis shows anomalous exponents that could be attributed to a large crossover between these two regimes. The contactless microwave measurements of single crystals along the $b^{\prime}$-axis reveal an anomaly between 25 and 55 K which is not understood yet. The organic superconductor (TMTSF)$_2$ClO$_4$ is more a two-dimensional metal with an anisotropy $ ho_a/ ho_{b^{\prime}}$ of approximately 2 at all temperatures. Such a low anisotropy is unexpected in view of the transfer integrals. Slight indications to one-dimensionality are found in the temperature dependent transport only above 200 K. Even along the least conducting $c^*$ direction no region with semiconducting behavior is revealed up to room temperature.

研究动机与目标

• 研究准一维有机导体 (TMTSF)2PF6 和 (TMTSF)2ClO4 中纵向与横向输运的标度行为。
• 确定 Luttinger 液体行为在这些材料中，特别是在正常态和不同晶轴方向下的出现程度。
• 通过沿所有三个晶轴方向（a、b′、c∗）测量输运性质，最大限度减少接触电阻和表面效应，以解决各向异性中的矛盾之处。
• 探测 (TMTSF)2PF6 中的维度交叉转变温度，并评估链间耦合在所观测输运异常中的作用。
• 比较 (TMTSF)2PF6 和 (TMTSF)2ClO4 的输运行为，以检验在化学调制和类似压力条件下电子响应的普适性。

提出的方法

• 使用高质量单晶对 (TMTSF)2PF6 和 (TMTSF)2ClO4 沿 a、b′ 和 c∗ 方向进行低温四探针直流电阻率测量。
• 采用 24、33.5 和 60 GHz 的无接触微波光谱技术，探测介电响应和电导率，避免接触电阻带来的伪影。
• 使用针状和镶嵌排列的单晶，以在微波测量中实现对 c∗ 方向的选择性。
• 采用 3He 制冷系统将样品冷却至 1.1 K 以下，以进入超导态，并研究了淬火和弛豫两种热历史下的行为。
• 通过幂律拟合分析温度依赖的电阻率数据，以提取临界指数并识别交叉转变区域。
• 将结果与基于跃迁积分（ta : tb : tc ≈ 250 : 20 : 1 meV）的耦合 Luttinger 链和 T ≈ 100 K 处维度交叉转变的理论预期进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 a、b′ 和 c∗ 方向上，(TMTSF)2PF6 和 (TMTSF)2ClO4 的直流电阻率标度行为如何？其是否反映了 Luttinger 液体物理行为？
• RQ2 在 (TMTSF)2PF6 中，从一维到三维行为的维度交叉转变发生在什么温度？与理论预测相比如何？
• RQ3 尽管跃迁积分显示出强烈的一维特征，为何 (TMTSF)2ClO4 的各向异性如此之低（ρa/ρb′ ≈ 2）？
• RQ4 在 b′ 轴方向的微波测量中，(TMTSF)2PF6 在 25 至 55 K 之间观察到的异常电阻率行为是由什么引起的？
• RQ5 在化学调制下，(TMTSF)2PF6 和 (TMTSF)2ClO4 的输运性质如何比较？这对准一维系统中电子响应的普适性有何启示？

主要发现

• 在 (TMTSF)2PF6 中，低于 70 K 时，ρa 和 ρb′ 按 T² 标度，而 ρc∗ 按 T 标度，表明沿不同轴向存在明显的一维输运行为。
• 在 100 K 以上，a 轴和 c∗ 轴的电阻率指数与 Luttinger 液体预测一致，表明在约 100 K 处发生维度交叉转变。
• (TMTSF)2PF6 的 b′ 轴电阻率表现出异常指数，可能源于一维与三维行为之间的大范围交叉转变。
• 无接触微波测量揭示了在 25 至 55 K 之间 b′ 轴响应中存在一个尚未解释的异常。
• 在 (TMTSF)2ClO4 中，各向异性 ρa/ρb′ 在所有温度下均保持约 2，与跃迁积分的预期相矛盾，表明存在强烈的链间耦合。
• 在 (TMTSF)2ClO4 中，沿 c∗ 方向未观察到半导体行为，直至室温；仅在 200 K 以上出现微弱的一维特征迹象。