Sr2RuO4 の 3D 音響プラズモンとして観測されたパインズデーモン

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メトリクスの詳細

金属の特徴的な励起はプラズモンであり、これは電子密度の量子化された集団振動です。 1956 年、デイビッドパインズは、「デーモン」と呼ばれる異なるタイプのプラズモンが、複数種の電荷キャリアを含む 3 次元 (3D) 金属中に存在する可能性があると予測しました 1。異なるバンドの電子の位相がずれた動きで構成されるデーモンは音響的で電気的に中性であり、光と結合しないため、平衡状態の 3D 金属では検出されたことがありません。それにもかかわらず、デーモンは混合原子価半金属 2 の相転移、金属ナノ粒子の光学特性 3、ワイル半金属 4 のサウンドアロン、金属水素化物などの高温超伝導 3、5、6、7 などのさまざまな現象にとって重要であると考えられています。ここでは、運動量分解電子エネルギー損失分光法から Sr2RuO4 の悪魔の証拠を提示します。 β バンドと γ バンドの電子で形成されたデーモンはギャップレスで、臨界運動量 qc = 0.08 逆格子単位、室温速度 v = (1.065 ± 0.12) × 105 m s−1 で、30 ℃まで冷却すると 31% の繰り込みが発生します。 K は、粒子と空孔の連続体との結合によるものです。悪魔の強さの運動量依存性は、その中立的な性質を裏付けています。私たちの研究は 67 年前の予測を裏付け、悪魔がマルチバンド金属に広く浸透している特徴である可能性があることを示しています。

1952 年に Pines と Bohm によって提案された 8 プラズモンは、非弾性電子散乱実験 9 で初めて観察され、固体における集団現象の最初に確認された例の 1 つでした。ランダウは、プラズモンを「ゼロ音」と呼び、プラズモンが古典的なガス中の音響音の量子アナログであることを強調しました10。ただし、ゼロ運動量 q で（つまり、波長が無限に近づくにつれて）周波数がゼロに近づく傾向がある通常の音とは異なり、プラズモンは、低次元系を除いて、密度振動を引き起こすには克服する必要があるため、励起するには有限のエネルギーがかかります。長距離クーロン相互作用1,8。通常の金属のプラズマ周波数 ωp は、Al の 15 eV (参考文献 11) から Cu の 20 eV (参考文献 12) の範囲にあります。

1956 年にパインズは、クーロンエネルギーコストなしでプラズモン励起を作り出すことが可能であると予測しました 1。「デーモン」と呼ばれる新しい集合モードは、異なるバンドの電子が位相をずらして移動するときに発生し、その結果、正味の電荷の移動は起こらず、バンド占有率が変調されます。デーモンは、電荷が別のバンドの電子によって完全に遮蔽された中性準粒子の集合モードと考えることができます。パインズは、ランダム位相近似 (RPA) を適用すると、デーモンモードの周波数 ω は \(\omega \estimate q\) としてスケールされ、\(q\to 0\) として消失するはずだと主張しました (参考文献 1)。

驚くべきことに、理論文献 1、2、5、6、13、14、15 で広く議論されているにもかかわらず、予言から 67 年が経過した現在でも、3D 金属内の悪魔の実験による確認はないようです。音響プラズモンは、従来の単一成分プラズモンにギャップがない 2 次元 (2D) 金属で広く研究されています 16、17、18、19。低エネルギープラズモンは、q = π/d (d は層間隔) の層状 3D 金属でも報告されています。これは主に最近、共鳴非弾性 X 線散乱技術によって行われます 21,22 が、これらの励起は q = 0 で ωp に分散します。音響的ではありません23。かつて、光励起された GaAs での悪魔の存在が報告されましたが、その効果は一時的なものでした 24。異なる電子流体の位相がずれた動きで構成され、3 次元システムでは \(q\to 0\) として音響のままである真の悪魔はまだ報告されていません。

悪魔の存在が実験的に示された場合、流体力学と RPA を超えた効果を組み込んだ、悪魔の適切な多体理論が確実に必要となるでしょう。

悪魔の検出を困難にしているのは、その固有の電荷中性です。 2 つの電子流体の逆位相電流は \(q\to 0\) として正確に相殺され、クーロン相互作用の長距離部分が消滅します。このため、悪魔は小さな q の極限における金属の誘電関数 \(\varepsilon (q,\omega )\) に特徴を持たず、光と結合しません。デーモンを検出する最も有望な方法は、ゼロ以外の q でマルチバンド金属の励起を測定することです。デーモンは密度を変調し、元々プラズモンを観察した電子エネルギー損失分光法 (EELS) 技術を使用して実験的に観察できる可能性があります。

0.08 r.l.u., the mode is overdamped and no longer visible, identifying qc = 0.08 r.l.u. as its critical momentum. At lower temperature, T = 30 K, there is a slight sharpening of the demon mode. This may be due to the reduction in the single-particle continuum shown in Extended Data Fig. 3, which could result in fewer decay channels./p> 2\) (\(\alpha =4\) in the RPA case). Hence, for a demon excitation, \(V(q)\chi (q,\omega ){|}_{\omega =0}\to 0\) as \(q\to 0\), so \(\varepsilon \to 1\) and a demon does not contribute to screening in the long-wavelength limit. This is what is meant by the statement that a demon is ‘neutral’. Determining whether the gapless mode in Fig. 4 is neutral therefore requires comparing the q dependence of its spectral weight to expectations from the f-sum rule./p> 0\). Combining the scattering cross-section of M-EELS34,48,/p> 2.5\) meV. Finally, we need to consider the actual behaviour of the mode in the small q regime. Although the mode disperses linearly over most of its range, in the small q limit \(E(q)\approx {q}^{2}\). We therefore take the experimental intensity to have the form/p> -\,5\)./p> −5, we conclude that this excitation is neutral in the sense that it cannot contribute to screening in the small q limit, and therefore is a demon in the true sense./p>

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