具有强自旋-轨道耦合的晶体和薄膜材料的制备及其量子效应的研究

Oxides containing 4d-,5d-transition metal elements demonstrate a series of novel quantum phenomena because there are comparable electron spin-orbit interaction with electron-electron interaction in these materials. The typical examples are spin-orbit assistant Mott insulator, quantized anomalous Hall effect, Weyl fermions, and so on. In this proposal, we plan to experimentally study the diagonal and non-diagonal magneto-resistant properties of KxRhO2 and SrIrO3 under electron-electron interaction, spin-orbital interaction, as well as different electron filling conditions. We will pay special attention on electrical-field adjustable Rashba effect in magneto-resistant effect, anomalous Hall effect, and possible quantized anomalous Hall effect. Combining the first-principles calculation and model Hamiltonian (single-band Hubbard model) to study these problems for specific materials (KxRhO2, SrIrO3), which elucidate the individual effect of electron-electron interaction and electron spin-orbit interaction. Using these two typical material systems elucidates that when spin-orbit interaction changes from weak to strong (from Rh to Ir), how does spin-orbit interaction affect the diagonal and non-diagonal magneto-resistant properties of these materials.

在含4d,5d过渡金属氧化物中，电子自旋-轨道耦合作用与电子-电子互作用强度相当，导致这类材料中具有一系列新颖的量子现象，如自旋-轨道耦合协助的莫特绝缘体、反常量子霍尔效应、Weyl费米子等等。在本项目中我们将以铑化物(KxRhO2)和铱化物(SrIrO3)为对象，研究在电子-电子互作用和电子自旋-轨道耦合共同作用下，当电子占据数不同的情况时，这二种材料中的对角与非对角项的磁电阻性质。关注磁电阻中的电场可调节的Rashba效应及其导致的反弱局域化效应、反常霍尔效应以及可能的量子反常霍尔效应。结合量子力学第一性原理计算和模型哈密顿量(单带赫伯德模型)针对具体的材料(KxRhO2，SrIrO3)研究上述效应的物理机制，澄清电子-电子关联和电子自旋-轨道耦合作用分别所起的作用。从这两个典型系统中揭示自旋-轨道耦合从弱到强(从Rh到Ir)的过程对于对角项和非对角项的磁阻的影响。

该项目的研究背景是在在含4d/5d过渡金属氧化物中，由于其较强的自旋轨道-耦合作用，是否对相应的物理效应产生巨大的影响？本项目就是针对项目书提出的二个具有强自旋-轨道耦合作用的含4d/5d过渡金属的氧化物系统(SrIrO3薄膜和KxRhO2单晶)进行了系统的研究。.. 在该项目的支持下，我们取得的主要研究成果如下：1)SrIrO3薄膜在不同的压应力作用下，其半金属性可以从电子-空穴共存演化到电子载流子占主导的电导性。能带计算表明在压应力下空穴带往费米能以下移动导致了电子带在费米面占主导。2)SrIrO3薄膜在低温下(30K)以下具有比常规半导体大100倍的Rashba系数，而且该Rashba系数随温度非常敏感。3)在由SrIrO3/SrRuO3组成的超晶格样品中发现在低温下具有非常大的反常霍尔效应和磁阻效应，这些效应可能来源于SrIrO3/SrRuO3界面处的Dzyaloshinskii-Moriya互作用导致的非共面的自旋结构。4)在K0.5RhO2样品中发现了高达5.8%的量子单位的反常霍尔电阻。该反常霍尔电阻从2K到20K基本是一个常数。当K的含量偏离0.5时，该反常霍尔电阻就消失了。基于平均场近似下的二维Hubbard模型，上述实验结果都能够得到合理的解释。5)在系列稀土元素掺杂K0.58RhO2样品中低温下发现Kondo绝缘态，在磁场下绝缘态演化为金属态。在Kondo绝缘态中发现显著的磁电阻、反常霍尔效应。.. 综合上述工作，我们认为对于含4d/5d过渡金属氧化物材料中展示出随外界其他条件(衬底应力、界面异质结、稀土掺杂)非常敏感的物理效应。上述工作为深入理解自旋-轨道耦合作用对材料物性的影响提供了一系列实验数据，提出的相关模型、概念为更严格的理论分析提供基本的物理图像。整个项目丰富了我们对过渡金属氧化物的认识。