준 저차원 양자 물질의 전자 반응에 대한 적외선 분광학 연구

Abstract

본 연구에서는 적외선 분광법을 활용해 준 1차원 구조 9층 마름모형 (nine-layered rhombohedral, 9R) BaRuO3 (BRO)와 준 2차원 카고메 격자를 가진 Ni 기반의 카고메 금속 Ni3M2S2 (M = In, Tl)의 온도에 따른 전자적 반응을 연구하였다. 준 1차원 구조를 가진 9R BRO 박막의 전자 반응은 전하밀도파 질서의 대표적인 거동을 보였다. 우리는 금속-비금속 전이를 보인 온도 T*≈130 K에서 부분 갭이 형성되는 것을 관측했다. 온도가 130 K 이하로 감소함에 따라 드루드 피크의 spectral weight와 산란율은 억제되었고, 드루드 피크에서 소실된 spectral weight는 55 meV와 150 meV 사이의 에너지 영역으로 이동하여 갭과 같은 구조를 형성했다. 전하밀도파 갭의 크기는 85 meV로 추정되었고, 갭의 크기와 전이 온도 간의 비율, 2Δ /k_B T^*≈7.56을 보였다. 큰 2Δ /k_B T^* 값은 이 시스템에 다체 효과가 관여할 수 있음을 시사한다. 우리는 포논 분석을 통해 강한 전자-포논 결합의 특징적인 신호를 발견했다. 67 meV의 포논 모드가 상당한 비대칭성을 보였고, 이 비대칭성은 온도가 감소함에 따라 T*에서 온도 의존성에 변화를 보이며 심화됐다. 온도에 따른 포논 모드의 변화는 부분 갭 형성으로 인해 spectral weight가 증가한 전자 여기와 관련이 있었고, 이러한 결과는 전자-포논 상호작용이 9R BRO의 전하밀도파 질서에 중요한 요소임을 시사한다. Ni 원자로 이루어진 준 2차원 카고메 격자를 포함한 Ni 기반의 shandite 카고메 금속 Ni3In2S2와 Ni3Tl2S2는 최근에 합성되었지만, 전자 반응에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 적외선 분광법을 이용해 Ni3In2S2와 Ni3Tl2S2의 광학적 반응을 조사한 결과, 두 물질의 저 에너지 전자 반응에서 Dirac 시스템의 특징적인 광학 반응인 에너지에 선형적으로 비례하여 증가하는 광학 전도도를 발견했다. 흥미롭게도, Ni3Tl2S2의 광학 전도도에서만 갭과 같은 특징이 확인되었다. 우리는 Ni3M2S2 (M = In, Tl)가 Dirac node를 가지는 새로운 위상 물질 후보가 될 수 있는 가능성을 제시했다.