Spin-orbit-controlled metal-insulator transition in Sr$_2$IrO$_4$
Berend Zwartsenberg, Ryan P. Day, Elia Razzoli, Matteo Michiardi, Nan Xu, Ming Shi, Jonathan D. Denlinger, Guixin Cao, Stuart Calder, Kentaro Ueda, Joel Bertins… 展开作者
Berend Zwartsenberg, Ryan P. Day, Elia Razzoli, Matteo Michiardi, Nan Xu, Ming Shi, Jonathan D. Denlinger, Guixin Cao, Stuart Calder, Kentaro Ueda, Joel Bertinshaw, Hidenori Takagi, Bumjoon Kim, Ilya S. Elfimov, Andrea Damascelli
在相关绝缘体的上下文中，其中电子-电子相互作用（U）驱动载流子的局部化，金属-绝缘体转变（MIT）被描述为带宽（BC）或填充（FC）受控。受到Sr $_2$ IrO $_4$中绝缘相的挑战的启发，已经提出了一类新的相关绝缘体，其中自旋轨道耦合（SOC）被认为使半填充$j_{\mathrm{eff}} = 1/2$双重态的带宽重新归一化，允许适度的U诱导电荷局域化相。虽然这一框架已被默认，一个彻底的表征基态一直难以捉摸。此外，SOC在稳定绝缘状态中的作用的直接证据尚未建立，因为先前试图揭示SOC的作用的尝试受到了同时发生的填充变化的阻碍。我们克服了这一挑战，采用多个取代基，引入定义明确的变化的签名SOC和载流子浓度的电子结构，以及一种新的方法，使我们能够直接监测SOC。具体来说，我们研究了Sr $_2$ Ir $_{1-x}$ T $_x$ O $_4$（T = Ru，Rh）的角分辨光电子能谱（ARPES），结合从头算和超原胞紧束缚计算。这使我们能够区分相对论效应和填充效应，从而最终确定SOC在稳定Sr $_2$ IrO $_4$绝缘状态中的核心作用。最重要的是，我们估计在这个系统中的自旋轨道耦合的临界值为$λ_c = 0.42 \pm 0.01$ eV，并提供了第一个演示的自旋轨道控制的MIT。
英文摘要：
In the context of correlated insulators, where electron-electron interactions (U) drive the localization of charge carriers, the metal-insulator transition (MIT) is described as either bandwidth (BC) or filling (FC) controlled. Motivated by the challenge of the insulating phase in Sr$_2$IrO$_4$, a new class of correlated insulators has been proposed, in which spin-orbit coupling (SOC) is believed to renormalize the bandwidth of the half-filled $j_{\mathrm{eff}} = 1/2$ doublet, allowing a modest U to induce a charge-localized phase. Although this framework has been tacitly assumed, a thorough characterization of the ground state has been elusive. Furthermore, direct evidence for the role of SOC in stabilizing the insulating state has not been established, since previous attempts at revealing the role of SOC have been hindered by concurrently occurring changes to the filling. We overcome this challenge by employing multiple substituents that introduce well defined changes to the signatures of SOC and carrier concentration in the electronic structure, as well as a new methodology that allows us to monitor SOC directly. Specifically, we study Sr$_2$Ir$_{1-x}$T$_x$O$_4$ (T = Ru, Rh) by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), combined with ab-initio and supercell tight-binding calculations. This allows us to distinguish relativistic and filling effects, thereby establishing conclusively the central role of SOC in stabilizing the insulating state of Sr$_2$IrO$_4$. Most importantly, we estimate the critical value for spin-orbit coupling in this system to be $λ_c = 0.42 \pm 0.01$ eV, and provide the first demonstration of a spin-orbit-controlled MIT.
Nematic Fluctuations in Iron-Oxychalcogenide Mott Insulators
向列波动发生在从液晶到生物分子到固体的广泛的物理系统中，例如外来磁体、铜酸盐和铁基高$T_c$超导体。向列涨落被认为与铁基超导体中库珀对的形成密切相关。目前还不清楚这种向列性中固有的各向异性是否来自电子自旋或轨道自由度。研究了结构上与铁磷属元素化物超导体相似的铁基莫特绝缘体La $_{2}$ O $_{2}$ Fe $_{2}$ O $M$ $_{2}$ $M$ =（S，Se）。它们的电子相图也接近铁磷属元素化物。核磁共振（NMR）揭示了一个关键的慢下来的自旋晶格弛豫速率（$1/T_1$）观察到的涨落。这是通过使用穆斯堡尔谱在类似的温度范围内观察电场梯度的变化来补充的。应用于原子核结构的中子对分布函数技术揭示了在很宽的温度范围内存在局部的$C_2$波动，而中子衍射表明，全球$C_{4}$对称性被保留。理论建模的几何挫折自旋$1$海森堡模型与双二次和单离子各向异性条款提供了解释的磁涨落的隐藏的四极自旋波动。向列性与几何阻挫磁性密切相关，后者来自轨道选择性。结果突出的轨道秩序和自旋波动的出现在铁基氧硫族化合物的向列性。在这些莫特绝缘体内的磁通波动的检测扩展了显示短程磁通断裂的铁基材料的组。
Theoretical study of insulating mechanism in multi-orbital Hubbard models with a large spin-orbit coupling: Slater versus Mott scenario in Sr$_2$IrO$_4$
Magnetotransport Properties of Iron-Based Ladder Compounds BaFe2S3 and BaFe2Se3 under High Pressure
Graduate School of Advanced Science and Engineering, Hiroshima University（广岛大学高级科学与工程学院）；International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2), Hiroshima University（广岛大学螺旋手性超材料可持续性国际研究所）；Department of Physics, Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学理学院物理系）
Three-band Hubbard model for Na$_2$IrO$_3$: Topological insulator, zigzag antiferromagnet, and Kitaev-Heisenberg material
Na $_2$ IrO $_3$是最早提出的以Kane-Mele型拓扑绝缘体相为特征的材料之一。与此同时，有人声称，同样的材料是在莫特绝缘相，这是描述的Kitaev-Heisenberg（KH）模型。第一次实验确实揭示了莫特绝缘行为与反铁磁长程序。进一步细化实验建立了反铁磁秩序的锯齿型，这是不捕获的KH模型。从那时起，几个扩展和修改的KH模型提出，以描述实验结果。在这里，我们建议，增加电荷波动的KH模型代表了锯齿形反铁磁性的另一种解释。此外，一个唯象的三带哈伯德模型统一了所有的拼图块：拓扑绝缘体物理弱和KH模型的强电子-电子相互作用，以及锯齿形反铁磁体在中等相互作用强度。
Bandwidth-Controlled Insulator-Metal Transition and Correlated Metallic State in 5$d$ Transition Metal Oxides Sr$_{n+1}$Ir$_{n}$O$_{3n+1}$ ($n$=1, 2, and $\infty$)
我们利用光谱学和第一性原理计算研究了5 $d$ Ruddlesden-Popper系列Sr $_{n+1}$ Ir $_{n}$ O $_{3n+1}$（$n$ =1，2和$\infty$）的电子结构.由于5个$d$轨道在空间上比3个$d$或4个$d$轨道延伸得更远，因此人们普遍认为5个$d$化合物中的相关效应最小。然而，当我们增加$n$时，我们观察到从Mott绝缘体到金属的带宽控制过渡。此外，人工合成的钙钛矿SrIrO $_{3}$显示出约6的非常大的质量增强，表明其处于相关金属状态。
The rich phase diagram of the prototypical iridate Ba$_2$IrO$_4$: Effective low-energy models and metal-insulator transition
Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie, Sorbonne Université（矿物学、材料物理与宇宙化学研究所，索邦大学）；Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques, Université Toulouse III - Paul Sabatier（量子化学与物理学实验室，图卢兹第三大学-保罗·萨巴蒂尔大学）
Constraints on the two-dimensional pseudo-spin 1/2 Mott insulator description of Sr$_2$IrO$_4$
Sr $_{2}$ IrO $_{4}$通常通过简单的单带赝自旋1/2模型来描述，在正方形晶格上，受到电子-电子相互作用，促进与铜酸盐超导体的类比，相信通过类似的模型可以很好地描述。在这项工作中，我们认为-基于圆偏振自旋和角分辨光电子能谱结合动力学平均场理论计算的低能电子结构的详细研究-赝自旋1/2模型未能捕获系统的全部复杂性。相反，我们表明，一个现实的多带哈伯德哈密顿量，占充分相关的$t_{2g}$流形，提供了一个详细的描述之间的相互作用的自旋轨道纠缠和电子-电子相互作用，并产生与实验定量协议。我们的分析建立了$j_{3/2}$态构成了低能谱权重的相当大的百分比，即，如从$0$中的$j$分辨谱函数到$-1.64$ eV能量范围的积分所确定的，约为74%。我们的工作结果不仅与铱基材料有关，而且更普遍地与具有紧密间隔的能量尺度的多轨道材料的研究有关。
Vector chirality for effective total momentum $J_{\textrm{eff}}$ in a nonfrustrated Mott insulator: Effects of strong spin-orbit coupling and broken inversion symmetry
在具有强自旋轨道耦合的非阻挫莫特绝缘体中，由于$ab$平面的反转对称性破缺，出现了自旋轨道耦合的矢量手征。在强自旋-轨道耦合和IS破缺诱导的跳跃积分下，导出了正方晶格上$t_{2g}$ -轨道Hubbard模型的超交换相互作用，解释了Dzyaloshinsky-Moriya（DM）型和Kitaev型相互作用的微观起源.然后，通过采用平均场近似的最小模型，只包括海森伯型和DM型最近邻相互作用，我表明，IS破缺导致自旋轨道耦合的手征作为稳定的螺旋状态的结果。我还强调了硬赝自旋近似在讨论DM型和Kitaev型相互作用存在下的螺旋态的稳定性时的极限，并讨论了它的意义。最后讨论了四元晶场和$J_{\textrm{eff}}=\frac{3}{2}$态的影响，以及对Sr $_{2}$ IrO $_{4}$的$[001]$表面附近的铱酸盐和Sr $_{2}$ IrO $_{4}$与Sr $_{3}$ Ir $_{2}$ O $_{7}$界面的应用。
