分子束外延生长烧绿石结构铱氧化物原位角分辨光电子能谱研究

The recent proposal of the possible novel topological Weyl semimetallic states in pyrochlore iridates has excited great interest due to its significance in condensed matter physics and the potential application. However, there still exist large challenges to validate and then further understand this possible novel topological states in these compounds experimentally. On one hand, the research is limited by the synthesis of high quality samples with the desired crystallographic orientation; On the other hand, a tool capable of probing the electronic structure of these compounds directly is still lack. In this proposal, we suggest the epitaxial growth of a series of pyrochlore iridates A2Ir2O7, in that the electron correlations can be fine tuned by choosing A site elements with different ionic radius. Taking advantage of our unique integrated MBE/ARPES system, we can in situ investigate the surface and bulk electronic structure of these compounds, and then test the predictions of Weyl semimetal and provide more constraints on further theoretical works. In this way, we might further understand the delicate interplay of many degrees of freedom in iridates, e.g., electron correlations and spin-orbit coupling, and probably prepare the ground for their potential application in future.

最近，烧绿石结构铱氧化物中可能存在新拓扑态——Weyl 半金属态的理论预言引起了广泛关注，但目前从最直接的电子结构角度验证进而理解此类材料中的这种可能拓扑态还面临较大的挑战。这一方面受制于高质量特定晶向样品的获得，更主要的还是缺乏可以直接研究其电子结构的实验手段。本项目拟发挥MBE/ARPES 集成系统在薄膜原位生长和电子结构测量方面的独特优势，通过外延可控生长直接获得理论预言存在新奇Wely 半金属特征的特定晶向A2Ir2O7单晶薄膜，进而利用原位ARPES测量得其电子结构，证实或证伪现有理论预言；同时，通过改变具有不同离子半径的A位4f元素实现对系统电子关联强度的调控，为进一步理论优化提供直接的实验参数。借此，我们可以更加深入理解铱氧化物中电子关联、自旋轨道耦合等多自由度之间的竞争与合作机理，并为推动5d过渡金属氧化物中拓扑相关新奇量子态的应用奠定一定的科学基础。

最近，烧绿石结构铱氧化物中可能存在新拓扑态——Weyl 半金属态的理论预言引起了广泛关注，但目前从最直接的电子结构角度验证进而理解此类材料中的这种可能拓扑态还面临较大的挑战。这一方面受制于高质量特定晶向样品的获得，更主要的还是缺乏可以直接研究其电子结构的实验手段。本项目通过发挥MBE/ARPES 集成系统在薄膜原位生长和电子结构测量方面的独特优势，通过外延可控生长直接获得理论预言存在新奇Wely 半金属特征的特定晶向Bi2Ir2O7和Pb2Ir2O7单晶薄膜，进而利用原位ARPES测量得到了其电子结构，部分证实了现有理论预言；同时，利用我们发展的Ir氧化物薄膜的外延生长和原位ARPES表征技术，我们还实现了对钙钛矿结构SrIrO3、CaIrO3以及SrIrO3/SrTiO3超晶格等5d电子材料的原位电子结构研究工作。通过上述研究，我们深入理解了铱氧化物中电子关联、自旋轨道耦合等多自由度之间的竞争与合作机理，并为推动5d过渡金属氧化物中拓扑相关新奇量子态的应用奠定了一定的科学基础。