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Three-dimensional electronic structures and the metal-insulator transition in Ruddlesden-Popper iridates

Ruddlesden-Popper型イリジウム酸化物の3次元電子構造と金属絶縁体転移

山崎 篤志*; 藤原 秀紀*; 橘 祥一*; 岩崎 大昌*; 東野 勇志*; 吉見 千秋*; 中川 広野*; 中谷 泰博*; 山神 光平*; 荒谷 秀和*; Kirilmaz, O.*; Sing, M.*; Claessen, R.*; 渡部 洋*; 白川 知功*; 柚木 清司*; 内藤 彰人*; 高瀬 浩一*; 松野 丈夫*; 高木 英典*; 関山 明*; 斎藤 祐児

Yamasaki, Atsushi*; Fujiwara, Hidenori*; Tachibana, Shoichi*; Iwasaki, Daisuke*; Higashino, Yuji*; Yoshimi, Chiaki*; Nakagawa, Koya*; Nakatani, Yasuhiro*; Yamagami, Kohei*; Aratani, Hidekazu*; Kirilmaz, O.*; Sing, M.*; Claessen, R.*; Watanabe, Hiroshi*; Shirakawa, Tomonori*; Yunoki, Seiji*; Naito, Akihito*; Takase, Koichi*; Matsuno, Jobu*; Takagi, Hidenori*; Sekiyama, Akira*; Saito, Yuji

軟X線角度分解光電子分光を用いて、Ruddlesden-Popper型イリジウム酸化物Sr$$_{n+1}$$Ir$$_{n}$$O$$_{3n+1}$$の3次元バンド構造を調べた。その結果、IrO$$_{2}$$面構造の次元性の増加と共に発現する金属-絶縁体転移に関する直接的な証拠を得た。この転移は、スピンー軌道結合により生じた$$j_{eff}$$ = 1/2バンドがフェルミエネルギーを横切ることにより生じる。入射光エネルギーを350eV以上走査することにより、SrIrO$$_{3}$$の3次元フェルミ面形状及び、Sr$$_{3}$$Ir$$_{2}$$O$$_{7}$$$$k_{z}$$依存した光電子強度の振動を明らかにした。本手法は、電子状態の全体像の理解において非常に有効である。

In this study, we systematically investigate three-dimensional(3D) momentum-resolved electronic structures of Ruddlesden-Popper-type iridium oxides Sr$$_{n+1}$$Ir$$_{n}$$O$$_{3n+1}$$ using soft-X-ray angle-resolved photoemission spectroscopy (SX-ARPES). Our results provide direct evidence of an insulator-to-metal transition that occurs upon increasing the dimensionality of the IrO$$_{2}$$-plane structure. This transition occurs when the spin-orbit-coupled $$j_{eff}$$ = 1/2 band changes its behavior in the dispersion relation and moves across the Fermi energy. By scanning the photon energy over 350 eV, we reveal the 3D Fermi surface in SrIrO$$_{3}$$ and $$k_{z}$$-dependent oscillations of photoelectron intensity in Sr$$_{3}$$Ir$$_{2}$$O$$_{7}$$. To corroborate the physics deduced using low-energy ARPES studies, we propose to utilize SX-ARPES as a powerful complementary technique, as this method surveys more than one whole Brillouin zone and provides a panoramic view of electronic structures.

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パーセンタイル:24.6

分野:Materials Science, Multidisciplinary

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