金屬-絕緣體相變(MIT)是體現(xiàn)電子關(guān)聯(lián)的典型宏觀表現(xiàn)，其背后往往蘊(yùn)藏著非常豐富的物理內(nèi)涵，因此是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。引起MIT的機(jī)制多樣，包括Mott相變（電子間的庫(kù)倫相互作用造成半滿能帶打開帶隙）、Anderson局域化(無(wú)序雜質(zhì)造成傳導(dǎo)電子的局域化)、Peierls相變(在準(zhǔn)一維金屬體系中由于晶格畸變?cè)斐善揭茖?duì)稱性降低而打開帶隙)等。除此以外，在上世紀(jì)50年代J. C. Slater還提出一種完全由三維反鐵磁序造成的MIT，即在具有半填充的金屬體系中，當(dāng)發(fā)生三維反鐵磁序時(shí)會(huì)降低平移對(duì)稱性，在能帶布里淵區(qū)的中心打開帶隙，形成Slater絕緣體，如圖1所示。盡管Mott絕緣體通常也會(huì)出現(xiàn)反鐵磁序，但是Mott相變與磁有序的形成無(wú)直接關(guān)系，而Slater絕緣體則完全是由于形成反鐵磁序造成的。因此，判斷Slater絕緣體的兩個(gè)典型特征是：（i）反鐵磁序的同時(shí)伴隨發(fā)生MIT，（ii）MIT為二級(jí)連續(xù)相變。盡管Slater-MIT機(jī)制的提出已有半個(gè)世紀(jì)以上，但是在實(shí)際材料體系中發(fā)現(xiàn)Slater絕緣體的例子卻屈指可數(shù)，可能的材料體系包括焦綠石Cd2Os2O7， Nd2Ir2O7和鈣鈦礦NaOsO3。值得一提的是，NaOsO3單晶是由中國(guó)科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員石友國(guó)最先報(bào)道的。 最近，中國(guó)科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）極端條件物理實(shí)驗(yàn)室EX6組學(xué)習(xí)員程金光在前期學(xué)習(xí)工作的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)習(xí)生崔琦、蔡云麒和焦媛媛等，利用高壓高溫合成了一系列Sn摻雜的SrIrO3鈣鈦礦，通過(guò)與美國(guó)和日本多個(gè)實(shí)驗(yàn)和理論課題組合作，并利用美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的變溫中子粉末衍射和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同步輻射光源等大科學(xué)裝置，證實(shí)在具有強(qiáng)自旋-軌道耦合的SrIr1-xSnxO3鈣鈦礦體系中可能實(shí)現(xiàn)了Slater絕緣體。 如前所述，在以3d過(guò)渡族金屬氧化物為代表的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中，Mott相變是造成這些窄能帶體系發(fā)生MIT的最常見(jiàn)機(jī)制。由于5d過(guò)渡族金屬氧化物中的電子關(guān)聯(lián)能U顯著降低，預(yù)期應(yīng)該具有金屬特性。然而，實(shí)驗(yàn)上卻常常觀察到反鐵磁絕緣體基態(tài)，最典型的是銥氧化物體系Sr2IrO4。最近的學(xué)習(xí)揭示出其絕緣基態(tài)是由于這些重元素內(nèi)稟的強(qiáng)自旋-軌道耦合（SOC）效應(yīng)造成5t2g能帶發(fā)生重構(gòu)，形成有效Jeff = 3/2和Jeff =1/2兩個(gè)子能帶，從而有效地降低了能帶寬度W，即使較弱的電子關(guān)聯(lián)能Ｕ也可以打開Hubbard帶隙，如圖2所示。這種由強(qiáng)自旋-軌道耦合和電子關(guān)聯(lián)能共同作用造成的絕緣基態(tài)稱為SOC-Mott絕緣體。因此，5d銥氧化物體系也成為近年來(lái)的學(xué)習(xí)熱點(diǎn)。 如圖3所示，Sr2IrO4是Ruddlesden-Popper系列Srn+1IrnO3n+1中n = 1化合物，具有TN = 240 K的反鐵磁絕緣體基態(tài)，盡管最近有理論學(xué)習(xí)指出其可能為Slater絕緣體，然而其電阻率在TN處沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的帶隙打開的反常，因此關(guān)于Slater絕緣體的基態(tài)一直存在爭(zhēng)議。隨著n的增加，體系的導(dǎo)電性逐漸提高，最終在n =∞的SrIrO3鈣鈦礦中形成順磁金屬基態(tài)，不過(guò)由于IrO6八面體旋轉(zhuǎn)、SOC和U的共同作用造成其費(fèi)米面附近的能帶非常窄，可能是semi-metal。理論預(yù)測(cè)通過(guò)調(diào)控SOC或者Ｕ可以實(shí)現(xiàn)磁性或拓?fù)浣^緣體等基態(tài)�；谝陨峡紤]，學(xué)習(xí)人員選取等價(jià)態(tài)、非磁性的Sn4+逐步取代Ir4+離子，通過(guò)打破Ir-O-Ir三維晶格網(wǎng)絡(luò)逐步增強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)U，進(jìn)而學(xué)習(xí)系統(tǒng)基態(tài)的演化規(guī)律。 學(xué)習(xí)人員利用高壓高溫合成了一系列鈣鈦礦SrIr1-xSnxO3多晶樣品，晶格參數(shù)隨著Sn摻雜量x線性增加，表明形成了很好的固溶體系；X射線吸收譜（XAS）確認(rèn)Ir4+化合價(jià)保持不變。圖4顯示了該體系的基本物性演化規(guī)律�？梢钥闯�，鈣鈦礦SrIrO3是順磁金屬；當(dāng)摻入10% Sn時(shí)，電阻率在~220K出現(xiàn)非常顯著的MIT，低溫下電阻率上升了5個(gè)數(shù)量級(jí)；熱電勢(shì)在200K以上絕對(duì)值較小，而且隨溫度升高而增加，表現(xiàn)為金屬特性，而在200K以下大幅度提高，確認(rèn)低溫進(jìn)入絕緣態(tài)；磁化率表明在接近MIT的溫度形成了長(zhǎng)程磁有序；這些結(jié)果表明在Ir位摻入非磁性的Sn不僅誘導(dǎo)了Ir晶格的長(zhǎng)程磁有序，更為有趣的是伴隨磁有序出現(xiàn)了非常顯著的MIT，這一點(diǎn)與Sr2IrO4截然不同。當(dāng)摻入20% Sn時(shí)，體系表現(xiàn)出類似性質(zhì)，不過(guò)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變和磁有序溫度升高到~280K，這也進(jìn)一步確認(rèn)Sn摻雜引起的變化為本征行為。隨著Sn摻雜量的進(jìn)一步增加，由于Ir-O-Ir晶格遭到較大破壞，MIT變得不明顯。 為了進(jìn)一步學(xué)習(xí)磁有序的結(jié)構(gòu)和MIT的機(jī)制，學(xué)習(xí)人員測(cè)試了變溫X射線和中子衍射。如圖5所示，x = 0.1和0.2樣品的晶格參數(shù)在磁有序溫度處連續(xù)變化，證實(shí)為二級(jí)連續(xù)相變；x = 0.2樣品的低溫中子衍射在Q = 1.377 Å-1出現(xiàn)額外衍射峰，而且其溫度依賴關(guān)系與磁化率給出的磁有序溫度吻合，表明此衍射峰來(lái)源于反鐵磁序。通過(guò)對(duì)稱性考慮并結(jié)合第一性原理計(jì)算證明其磁結(jié)構(gòu)應(yīng)該為G型反鐵磁。因此，這種伴隨著連續(xù)的G型反鐵磁序的MIT轉(zhuǎn)變與Slater-MIT機(jī)制一致。通過(guò)對(duì)Sn摻雜SrIrO3的第一性原理計(jì)算，證明必須同時(shí)考慮U和G型反鐵磁序才能在費(fèi)米面附近打開帶隙，而只考慮U（2eV）或者G型反鐵磁序都不能打開帶隙，這一步證實(shí)反鐵磁序?qū)IT具有決定作用，支持Slater絕緣體機(jī)制。此外，通過(guò)測(cè)試150K的XAS/XMCD（圖6），觀察到Ir-L3/L2強(qiáng)度比在4.8-5.3，遠(yuǎn)大于2，證實(shí)此體系確實(shí)還存在很強(qiáng)的SOC，而且在跨越x = 0.1時(shí)自旋-軌道耦合強(qiáng)度存在躍變?cè)鰪?qiáng)，表明在具有強(qiáng)自旋-軌道耦合的體系中非常可能實(shí)現(xiàn)了Slater絕緣體。 相關(guān)學(xué)習(xí)成果近日發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)（PRL 117， 176603 (2016)）上。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。參與該工作的合作者包括美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的周建十、J. B. Goodenough和李翔，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的A. E. Taylor、S. Calder、M. A. McGuire、J.-Q. Yan、A. D. Christianson，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Y. Choi、D. Haskel，美國(guó)阿堪薩斯大學(xué)的D. Meyers和J. Chakhalian，日本東京大學(xué)的H. Gotou和Y. Uwatoko，以及日本理化學(xué)習(xí)所的樊巍和S. Yunoki。 論文信息：Q. Cui， J.-G. Cheng*， W. Fan， A. E. Taylor， S. Calder， M. A. McGuire， J.-Q. Yan， D. Meyers， X. Li， Y. Q. Cai， Y. Y. Jiao， Y. Choi， D. Haskel， H. Gotou， Y. Uwatoko， J. Chakhalian， A. D. Christianson， S. Yunoki， J. B. Goodenough， and J.-S. Zhou*; Slater Insulator in Iridate Perovskite with Strong Spin-orbit Coupling; Phys. Rev. Lett. (2016) 117， 176603. 圖1. Slater金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變示意圖 (摘自Calder S.， et al. PRL(2012) 108， 257209) 圖2. Sr2IrO4中形成SOC-Mott絕緣體基態(tài)的示意圖。(摘自: Kim B.J.， et al.， PRL (2008) 101， 076402) 圖3. Ruddlesden-Popper系列Srn+1IrnO3n+1晶體結(jié)構(gòu)和相應(yīng)能帶變化示意圖 圖4. SrIr1-xSnxO3鈣鈦礦樣品的電阻率、磁化率和熱電勢(shì)數(shù)據(jù) 圖5.（a， b）x = 0.1和0.2樣品的晶格參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，虛線為磁有序溫度；（c，d）100K和300K時(shí)x=0.2樣品的中子粉末衍射強(qiáng)度以及Q = 1.377Å-1處峰強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系 圖6.（左圖）SrIr1-xSnxO3鈣鈦礦樣品在150K的XAS和XMCD數(shù)據(jù)，（右圖）SrIr1-xSnxO3體系的相圖和自旋-軌道耦合期望值的變化關(guān)系 來(lái)源:物理學(xué)習(xí)所 編輯:葉瑞優(yōu)物理所等證實(shí)具有強(qiáng)自旋 | 責(zé)任編輯：蟲子
