利用界面和维度调控研究钌酸钙薄膜中电子关联及电磁性质

Perovskite CaRuO3 is a prototypical multiorbital 4d transition metal oxides. It is generally believed that its electronic correlation arises from interplay between Hund’s coupling and onsite coulomb repulsion. Due to the strong lattice distortion (Ru-O-Ru bond angle is ~150°), its electronic correlation is largely enhanced and gives rise to some interesting electromagnetic properties. For example, its Fermi liquid behavior is strongly suppressed at even very low temperature and its magnetic ground state is strongly dependent on the Ru-O-Ru bond angle, i.e., close to a magnetic instability point. We propose to study the electron correlations in CaRuO3 by interfacial structural modifications and quantum confinement. Combing high-precision structural probes, direct measurement of electronic structure and complementary studies of electromagnetic properties, we hope to establish the connections between lattice distortions, electronic correlation and macroscopic electromagnetic properties. Through systematic thickness study, we will also explore the quantum size effects derived from correlated 4d electrons, particularly in the extreme two-dimensional limit.

钙钛矿钌酸钙(CaRuO3)是典型的多轨道4d过渡金属氧化物，一般认为其电子关联性来源于洪德耦合与电子在位库伦排斥的共同作用。由于钌酸钙有很大的晶格畸变(Ru-O-Ru键角只有~150°)，其电子关联被大大增强同时产生了一些有趣的电磁性质，比如它在低温下的费米液体输运行为被极大地抑制，并且其磁性对键角非常敏感（处在磁性边界点上）。我们提出利用界面结构重组和量子束缚效应来调控钌酸钙薄膜中的电子关联。我们期望通过精确解析钌氧键长键角的变化，测量电子能带结构和质量重组，同时辅助测量相关的电磁性质，建立起钌酸钙中晶格畸变，电子结构（电子关联）和电磁性质的关系。通过对薄膜不同厚度的系统研究，我们也将探索关联4d电子形成的量子阱效应以及在严格二维束缚下电子关联的变化。

在一些多轨道的电子体系中，由于电子的占位库伦排斥作用与洪德耦合的相互影响，可以形成一类奇异的强关联电子态，即所谓的洪德金属。最近的研究表明钌氧化合物可能是洪德金属典型的代表之一，然而在很多其他的强关联电子体系中（比如铁基超导体，硅化锰等）也找到了洪德金属存在的证据。钙钛矿钌酸钙是钌氧化合物中电子关联最强的材料之一，本项目旨在研究这类材料中的电子关联效应以及其物理机理，理解其奇异物理性质的微观来源。在本项目资助下，我们研究了钌酸钙及相关体系的动量分辨的电子结构，在钌酸钙中发现了有效质量很大的重电子态，而且发现这个重电子态有很强的动量依赖性并且随着温度降低逐渐形成。这个结果提供了钌酸钙是洪德金属的直接谱学证据。钌酸钙中存在的重电子态与重费米子体系中的电子态有非常显著的相似性，为此我们进行了系统的对比实验，进一步证明了两者的相似性，但同时也发现两者的谱学性质也有明显区别，这些实验结果为未来系统的理论研究奠定了基础。对这些体系的系统研究还发现了其中存在的强关联拓扑电子态。另外，我们在界面结构调制和维度调控方面也进行了系统研究，提出一种基于泊松比的唯象模型解释界面的氧八面体扭转效应，同时直接观测到基于d电子的量子阱电子态。项目执行期间，取得一系列研究成果，在Phys. Rev. B, Sci. China. Phys. Mech. Astron.等杂志上发表项目资助论文8篇。