[论文解读] Theory of magnetic structure in layered iridates: spin-orbit band or Mott insulators

Jean-Michel Carter, Hae‐Young Kee|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2012

Advanced Condensed Matter Physics被引用 2

一句话总结

本研究利用紧束缚模型和有效 Hubbard 模型，研究了层状锶铱氧化物（Srₙ₊₁IrₙO₃ₙ₊₁）中的金属-绝缘体转变，表明自旋-轨道耦合在费米能级附近稳定了 Jeff = 1/2 态。研究发现，对于不同的 n 值，系统分别呈现倾倒的和共线的反铁磁绝缘体基态，且在弱耦合与强耦合极限下磁序完全相同，表明仅凭磁序本身不足以确认这些材料中存在 Mott 物理。

ABSTRACT

We investigate the metal-insulator transition in the layered Ruddelsden Popper series of strontium iridates Srn+1IrnO3n+1. Tight-binding models of t2g orbitals for n = 1, 2, and infinity are constructed, and changes in band dispersion due to dimensionality and spin-orbit coupling are presented. Identifying the states near the Fermi level to be predominantly Jeff = 1/2, we use an effective Hubbard model to study the effect of correlations. Transitions from a metallic state to various magnetically ordered states at different critical interactions are obtained. A canted antiferromagnetic insulator is found for Sr2IrO4, a c-axis collinear antiferromagnetic insulator for Sr3Ir2O7, and non-coplanar canted antiferromagnetic insulator via magnetic metal for SrIrO3. We derive the strong-coupling spin-model and compare the magnetic ordering patterns obtained in the weak and strong coupling limits. We find that they are identical, indicating that magnetic ordering is not sufficient to justify Mott physics in this series of iridates.

研究动机与目标

• 理解不同维度下 Ruddelsden-Popper 相铱氧化物（Srₙ₊₁IrₙO₃ₙ₊₁）中的金属-绝缘体转变。
• 确定自旋-轨道耦合与电子关联在稳定磁序和绝缘态中的作用。
• 比较弱耦合与强耦合极限下的磁序模式，以评估磁序是否可作为 Mott 物理的证据。

提出的方法

• 为 SrIrO₃ (n=1)、Sr₂IrO₄ (n=2) 及无限层极限 (n=∞) 中的 t2g 轨道构建紧束缚模型。
• 识别费米能级附近的态主要为由于强自旋-轨道耦合而形成的 Jeff = 1/2 态。
• 应用有效 Hubbard 模型研究电子关联效应及相变行为。
• 推导强耦合自旋模型，以分析 Mott 绝缘态区域的磁序模式。
• 比较弱耦合（类似 RPA）与强耦合（自旋哈密顿量）处理下获得的磁序。
• 利用对称性与自旋结构因子分析，对不同 n 值下的磁基态进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 维度性（n=1,2,∞）如何影响层状铱氧化物中的能带色散与电子结构？
• RQ2 在强电子关联作用下，Sr₂IrO₄、Sr₃Ir₂O₇ 和 SrIrO₃ 的磁基态性质为何？
• RQ3 这些体系在弱耦合与强耦合区域中，磁序模式是否存在差异？
• RQ4 仅凭磁序能否作为铱氧化物中 Mott 绝缘行为的证据？
• RQ5 自旋-轨道耦合在多大程度上稳定了 Jeff = 1/2 态，使其成为费米能级附近的主要自由度？

主要发现

• 由于自旋-轨道耦合与电子关联作用，预测 Sr₂IrO₄ 为倾倒的反铁磁绝缘体。
• 在 Sr₃Ir₂O₇ 中发现 c 轴方向的共线反铁磁绝缘体，与实验观测一致。
• 对于 SrIrO₃ (n=1)，通过磁性金属相出现非共面倾倒反铁磁绝缘态。
• 在弱耦合与强耦合极限下，磁序模式完全相同，表明其磁序类型无定性变化。
• 两种极限下磁序的等价性表明，仅凭磁序本身不足以支持该类铱氧化物中存在 Mott 物理。