高壓下晶格阻挫的自旋軌道Mott絕緣體Sr3Ir2O7

2020-12-06 知社學術圈

海歸學者發起的公益學術平臺

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

闡明強關聯d電子引發的各種奇特物理現象一直是現代凝聚態物理的焦點之一，而磁性是其中最重要的物理特性之一。

在高軌道5d 材料中不同相互作用的競爭，包括電子間庫侖相互作用、晶體場、洪特耦合能、以及自旋-軌道耦合作用等決定了其宏觀物性。在外場擾動下，如壓力、溫度和電磁場，這些作用既會耦合又有相互競爭，從而使磁性變得更加複雜和有趣。研究高軌道材料中磁性如何隨壓力（及溫度）而改變，發現新的磁有序行為，可以為在微觀量子尺度上理解其磁性機制提供重要的基礎。北京高壓科學研究中心丁陽研究員帶領的研究團隊發現自旋軌道Mott絕緣體Sr3Ir2O7在高壓下出現晶格受挫並導致其長程反鐵磁序消失的現象。他們的研究提出晶格自由度在調節5d材料磁性方面起著至關重要的作用。相關研究近期發表於npj Quantum Materials。

5d 高軌道材料中新Mott絕緣態的出現多源於SOC與晶體場耦合和電子－電子的庫侖作用，而且由於5d 電子－電子的庫侖作用一般在2-3 eV，遠小於3d電子的6-8 eV。這些因素導致的結果就是5d 高軌道材料中新Mott 絕緣體的帶隙一般較小。再加上SOC與晶體場（~的耦合，即使在較低的壓力下，在高軌道材料中也會同時出現磁性相變、金屬－絕緣體相變或（及）結構相變。這種低壓磁（電）- 彈耦合相變幾乎成為高軌道磁性相變的共性。由於多種相變幾乎同時發生，這對理解相變的動力學是一個挑戰。研究這類問題需要同時測得磁激子、聲子譜或是振動光譜及電輸運，配合量子多體計算模擬。研究清楚它們之間耦合機制，有助於揭示初始的相變驅動力。

基於上述問題，北京高壓科學研究中心丁陽研究員帶領的研究團隊，利用拉曼、X射線衍射、電輸運和多體理論計算等技術方法來研究5d 高軌道材料的典型代表，Sr3Ir2O7以期待闡明5d高軌道材料磁性與物性之間的關係。「Sr3Ir2O77被認為是一個有著較小電荷能隙和磁矩的自旋軌道耦合模特絕緣體。其IrO6正八面體的旋轉和沿c軸方向輕微的傾斜會導致其結構對稱性的變化。因此Sr3Ir2O7是一個理想的研究其晶格變化如何影響其電磁性質和結構穩定性的對象，」該工作的第一作者張建波博士說到。

圖（1）：單磁子峰的發現以及其隨壓力的變化

通過高壓低溫拉曼他們發現Sr3Ir2O7的單磁子峰隨壓力而軟化並最終消失。原位X射線衍射及拉曼光譜的變化顯示出伴隨著磁相變伴隨的結構相變。電輸運的測量又表明磁相變與絕緣金屬轉變是分離的，沒有表現出傳統的磁性和Mott絕緣狀態之間的相關性。另外他們通過自旋波理論計算表明磁子峰的軟化是由於壓力減少了四方畸變，而IrO6八面體在c軸方向傾斜度隨壓力的增加最終導致了單磁子峰的消失。

圖（2）：Spin-wave理論預測單磁子峰布裡淵區中心能量與四面體畸變(q)和IrO6八面體旋轉角度(α)之間的函數關係。

「我們的研究表明晶格自由度在決定Sr3Ir2O7的基態中起著至關重要的作用，同時也說明通過壓力調控晶體結構來控制材料的電磁特性，成為探索自旋軌道莫特絕緣體中的新量子態的一條有效途徑，」丁陽研究員介紹說到。

點擊左下角「閱讀原文」查看論文原文。

擴展閱讀

相關焦點

  • 物理所等發現自旋阻挫重費米子體系中的量子臨界相
    量子相變在重費米子、非常規超導、量子自旋以及冷原子等不同系統中均得到了廣泛深入的研究，是產生奇異集體激發模式和新物性的一個重要途徑。尤其重要的是，量子臨界點雖然產生於絕對零度附近，但是其相關的量子漲落卻可以深刻地影響有限溫度下的物理行為。很多非常規物理性質，包括高溫超導，都可能和量子臨界漲落有密切的關係。　　重費米子材料是量子臨界行為研究的理想體系。
  • 高壓誘發的量子自旋液體材料的Mott相變和超導
    高壓、低溫和強磁場等極端條件在探索新材料揭示新物理現象方面發揮著越來越重要的作用。研究材料在這些極端條件下的構效關係，能揭示許多奇異且具有潛在應用價值的物理現象。因此開展量子自旋液體從絕緣體到金屬的Mott相變研究，進而探索可能的超導電性，不僅能進一步深化人們對量子自旋液體本徵物性的理解，而且將會對揭示非常規超導體的機理具有非常重要的意義。早期研究都集中在有機量子自旋液體候選材料（Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 177001）。
  • 進展 | 高壓誘發的量子自旋液體材料的Mott相變和超導
    高壓、低溫和強磁場等極端條件在探索新材料揭示新物理現象方面發揮著越來越重要的作用。研究材料在這些極端條件下的構效關係，能揭示許多奇異且具有潛在應用價值的物理現象。因此開展量子自旋液體從絕緣體到金屬的Mott相變研究，進而探索可能的超導電性，不僅能進一步深化人們對量子自旋液體本徵物性的理解，而且將會對揭示非常規超導體的機理具有非常重要的意義。早期研究都集中在有機量子自旋液體候選材料（Phys. Rev. Lett. 95(2005) 177001）。
  • 自旋軌道轉矩
    圖2 自旋軌道轉矩物理機制(a)自旋軌道轉矩示意圖；(b)由於自旋霍爾效應產生的自旋軌道轉矩；(c)由於Edelstein效應產生的自旋軌道轉矩。(d)低溫下(T=7 K)2UC LaAlO3|SrTiO3界面的自旋泵浦和逆Edelstein 效應，門電壓調控電子濃度和Rashba 自旋軌道耦合強度；(e)室溫下門電壓對自旋—電荷轉換效率的調控，樣品是3UC LaAlO3|SrTiO3界面。
  • 利用真空紫外雷射驗證拓撲絕緣體自旋-軌道鎖定現象
    通過採集真空紫外雷射自旋分辨/角分辨光電子能譜，他們直接測量了上、下Dirac錐分別在兩種不同偏振方式（s偏振和p偏振）下對應的自旋結構（圖4c右側），並且發現不同偏振方式下測量的自旋結構很不一樣，特別是在s偏振情況下，發現一個非常奇特的自旋結構，即：上、下Dirac錐的自旋具有相同的手徵特性。
  • 中國科大在自旋軌道耦合莫特絕緣體研究中取得新進展
    中國科大何俊峰研究組與國內外同行合作，對自旋軌道耦合莫特絕緣體展開研究，取得重要進展：團隊使用高分辨角分辨光電子能譜，首次在電子摻雜自旋軌道耦合莫特絕緣體（Sr2IrO發現和理解摻雜莫特絕緣體產生的奇異量子現象是凝聚態物理研究中的核心問題。摻雜莫特絕緣體的一個典型例子就是銅氧化物高溫超導體。
  • 負自旋軌道耦合是什麼鬼?
    自旋軌道耦合(SOC)是一個非常重要的概念，在材料的電子結構中扮演著極其重要的性質。那麼什麼是SOC呢？直觀地說，就是電子在繞原子核轉動的時候，站在電子的角度看，它感受到的電場一直在發生變化，變化的電場產生磁場，磁場與電子的自旋相互作用，這就是自旋軌道耦合。
  • 物理所等證實具有強自旋-軌道耦合的鈣鈦礦銥氧化物體系中
    儘管Slater-MIT機制的提出已有半個世紀以上，但是在實際材料體系中發現Slater絕緣體的例子卻屈指可數，可能的材料體系包括焦綠石Cd2Os2O7, Nd2Ir2O7和鈣鈦礦NaOsO3。　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）極端條件物理實驗室EX6組研究員程金光在前期研究工作的基礎上，指導研究生崔琦、蔡雲麒和焦媛媛等，利用高壓高溫合成了一系列Sn摻雜的SrIrO3鈣鈦礦，通過與美國和日本多個實驗和理論課題組合作，並利用美國橡樹嶺國家實驗室的變溫中子粉末衍射和阿貢國家實驗室的同步輻射光源等大科學裝置，證實在具有強自旋-軌道耦合的
  • 取出拓撲絕緣體表面態
    而且，這種表面導電是自旋分辨的，兩條自旋相反的表面導電通道各行其是、互不幹擾，因此讓人極具應用想像力，如圖2(c) 所示。看君如果有意，可以在google 上隨手找到相關應用潛力的文章與介紹，雖然最主要的幾類預期應用無外乎是：(1)超低損耗或無損耗自旋電子學和能源(如熱電)器件應用；(2) 超導應用；(3) 量子計算機應用。 3.
  • 在磁性外爾半金屬中首次提出「自旋軌道極化子」概念
    近幾年，基於過渡金屬的籠目晶格（kagome lattice）化合物是揭示和探索包括幾何阻挫、關聯效應和磁性以及量子電子態的拓撲行為等在內的豐富的物理學性質的一個新穎材料平臺。在這些近層狀堆疊的晶體材料中，過渡金屬元素原子呈三角形和六邊形在平面內交替排列，形成了獨特的拓撲結構，例如具有狄拉克錐的電子能帶結構特徵和強自旋軌道耦合的平帶特徵等。並且，這些材料表現出鐵磁、反鐵磁以及順磁等豐富的磁性基態。
  • 進展 | 在磁性外爾半金屬中首次提出「自旋軌道極化子」概念
    近幾年，基於過渡金屬的籠目晶格（kagome lattice）化合物是揭示和探索包括幾何阻挫、關聯效應和磁性以及量子電子態的拓撲行為等在內的豐富的物理學性質的一個新穎材料平臺。在這些近層狀堆疊的晶體材料中，過渡金屬元素原子呈三角形和六邊形在平面內交替排列，形成了獨特的拓撲結構，例如具有狄拉克錐的電子能帶結構特徵和強自旋軌道耦合的平帶特徵等。
  • 物理所等在磁性外爾半金屬中提出「自旋軌道極化子」概念
    磁性量子材料的缺陷工程及其局域量子態自旋的調控，有望用於構築未來實用化的自旋量子器件，是目前凝聚態物理研究的熱點領域之一。近年來，基於過渡金屬的籠目晶格（kagome lattice）化合物成為揭示和探索包括幾何阻挫、關聯效應和磁性以及量子電子態的拓撲行為等豐富物理學性質的新穎材料平臺。
  • 物理所壓力誘導的強自旋軌道耦合化合物超導研究獲進展
    自旋軌道耦合(SOC)可在量子功能材料引發重要物理現象，如理論成功預言了由強自旋軌道耦合能帶翻轉形成的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3類拓撲序化合物，引發了國際上對拓撲序量子化合物的理論和實驗研究熱潮。
  • 物理所等在磁性外爾半金屬中首次提出「自旋軌道極化子」概念
    近年來，基於過渡金屬的籠目晶格（kagome lattice）化合物成為揭示和探索包括幾何阻挫、關聯效應和磁性以及量子電子態的拓撲行為等豐富物理學性質的新穎材料平臺。在這些近層狀堆疊的晶體材料中，過渡金屬元素原子呈三角形和六邊形在平面內交替排列，形成獨特的拓撲結構，例如具有狄拉克錐的電子能帶結構特徵和強自旋軌道耦合的平帶特徵等。此外，這些材料還表現出鐵磁、反鐵磁以及順磁等豐富磁性基態。
  • 一種新的量子材料--拓撲絕緣體
    量子霍爾效應分別獲得1985年和1998年兩度Nobel物理學獎，開創了凝聚態物理學的一個新紀元。但由於這種效應需要滿足強磁場和低溫這兩個條件，不利於推廣應用。直到2005年，人們才發現不需要強磁場和低溫條件，僅僅依靠任何材料都具有的自旋軌道耦合效應，就可以實現類似於量子霍爾效應中的電子態，即量子自旋霍爾效應態或拓撲絕緣體態。這立刻引起了全球科學家界的重大關注。
  • 進展|高壓比熱研究量子磁性相變
    量子磁性系統的相變研究近年來在理論上進展迅速，從具有拓撲序的量子自旋液體 [1]到超越朗道-金茲伯格對稱性破缺理論的去禁閉量子臨界點[2] 以及具有湧現連續對稱性的新型一級相變[3] ，新的結果不斷出現。
  • 最大能隙拓撲絕緣體
    近些年來，一種新的晶體被發現，它的體內是絕緣的而表面可以是金屬態，這種特性是由貝裡曲率在布裡淵區域的拓撲性質決定的，因此被稱為拓撲絕緣體。不同於普通絕緣體的能帶，拓撲絕緣體的表面態(或者邊緣態)存在錐狀能帶[1]，這和光子的色散關係相似[2]，這種能帶物質代表一種相對論準粒子，可以用狄拉克方程描述，因此被稱為狄拉克費米子[3]。
  • 拓撲絕緣體簡介
    QHE態和真空拓撲性不同，其和真空的界面上拓撲不變量必須發生變化，這導致了無能隙導電的邊緣態出現，如圖1所示。強磁場限制了QHE的實際應用，人們開始思考利用電子的自旋自由度，在無外加磁場的情況下實現QHE，即不同自旋方向的載流子在空間上實現分離,如圖2(a)所示，從而實現零磁場下的霍爾效應——量子自旋霍爾效應(QSHE)。
  • 新型二維自旋軌道耦合狄拉克點
    然而，進一步的研究發現，考慮自旋軌道耦合 （SOC） 的情況下，這些二維材料的 Dirac 點都會打開一定的能隙  (gap)。因此，在嚴格意義上這些材料實際上都是絕緣態，這些二維的 Dirac 點都被 SOC 所破壞了。那麼自然就會有一個問題：在二維體系，是否存在自旋軌道耦合打不開的 Dirac 點呢？今天小編給大家推介一個近期的工作。