[论文解读] Tuning the electronic properties of J_eff=1/2 correlated semimetal in epitaxial perovskite SrIrO3

Jian Liu, J.-H. Chu+12 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用 10

一句话总结

本研究展示了外延钙钛矿SrIrO3中应变可调的电子特性，揭示了一种$J_{\rm eff}=1/2}$的关联半金属，其电子-空穴对称性高度可调。通过施加外延应变，研究人员调控了费米面大小和载流子有效质量，表明拉伸应变增强了电子-空穴对称性和关联性，而压缩应变则引起强烈不对称性，为在5d氧化物中设计拓扑量子态提供了途径。

ABSTRACT

We investigated the electronic properties of epitaxially stabilized perovskite SrIrO3 and demonstrated the effective strain-control on its electronic structure. Comprehensive transport measurements showed that the strong spin-orbit coupling renders a novel semimetallic phase for the J_eff=1/2 electrons rather than an ordinary correlated metal, elucidating the nontrivial mechanism underlying the dimensionality-controlled metal-insulator transition in iridates. The electron-hole symmetry of this correlated semimetal was found to exhibit drastic variation when subject to bi-axial strain. Under compressive strain, substantial electron-hole asymmetry is observed in contrast to the tensile side, where the electron and hole effective masses are comparable, illustrating the susceptivity of the J_eff=1/2 to structural distortion. Tensile strain also shrinks the Fermi surface, indicative of an increasing degree of correlation which is consistent with optical measurements. These results pave a pathway to investigate and manipulate the electronic states in spin-orbit-coupled correlated oxides, and lay the foundation for constructing 5d transition metal heterostructures.

研究动机与目标

• 为了稳定单晶外延钙钛矿SrIrO3薄膜，其在体相形式下本征不稳定。
• 研究强自旋-轨道耦合（SOC）与SrIrO3中$J_{\rm eff}=1/2}$态的电子关联之间的相互作用。
• 探讨外延应变如何改变这种关联半金属的电子结构和输运性质。
• 确定$J_{\rm eff}=1/2}$态在应变作用下是否表现出可调的电子-空穴对称性和增强的关联性。
• 为设计具有定制化拓扑和关联量子相的5d过渡金属氧化物异质结构奠定基础。

提出的方法

• 在晶格失配的基底（STO、DSO、GSO、NSO）上外延生长SrIrO3薄膜，以引入双轴应变。
• 通过综合输运测量提取载流子密度、迁移率和霍尔系数（$R_{\rm H}$）随应变和温度的变化关系。
• 利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）探测0.3–1.3 eV范围内的体间光学跃迁，识别出从$J_{\rm eff}=3/2}$到$J_{\rm eff}=1/2}$的跃迁峰。
• 将反射率峰位置的应变诱导变化与能带重叠及莫特能隙演化相关联。
• 理论分析将观测到的输运和光学响应与关联程度及电子-空穴对称性破缺程度联系起来。
• 系统性地改变晶格失配，以调节正交畸变，从而调控$J_{\rm eff}=1/2}$能带的电子结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 外延应变如何调控SrIrO3中$J_{\rm eff}=1/2}$关联半金属的电子-空穴对称性？
• RQ2 自旋-轨道耦合与电子关联在稳定外延SrIrO3中半金属相的过程中起什么作用？
• RQ3 应变如何影响$J_{\rm eff}=1/2}$能带中费米面大小和载流子有效质量？
• RQ4 拉伸应变在多大程度上通过光学和输运测量增强了电子-空穴对称性和关联性？
• RQ5 是否可通过$J_{\rm eff}=1/2}$态的应变工程探测并调控SrIrO3中的莫特转变？

主要发现

• $J_{\rm eff}=1/2}$能带在外延SrIrO3中表现出半金属性质，载流子浓度极低，输运测量已证实此特性。
• 在压缩应变下，电子-空穴不对称性显著增强，电子的迁移率远高于空穴。
• 拉伸应变增强了电子-空穴对称性，减小了电子与空穴有效质量之间的差异。
• 费米面在拉伸应变下缩小，表明能带重叠减少且关联性增强，与光学测量结果一致。
• 在约0.7 eV处的体间光学跃迁峰在拉伸应变下向更高能量移动50 meV，表明能带分离增加及莫特能隙增大。
• 该峰位移与关联性增强及接近莫特绝缘态相关，表明态密度降低或局域态口袋被抑制。