Sr2RuO4에서 3D 음향 플라즈몬으로 관찰된 Pines의 악마

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측정항목 세부정보

금속의 특징적인 여기는 전자 밀도의 양자화된 집단 진동인 플라즈몬입니다. 1956년에 David Pines는 '악마'라고 불리는 독특한 유형의 플라즈몬이 두 가지 이상의 전하 캐리어를 포함하는 3차원(3D) 금속에 존재할 수 있다고 예측했습니다1. 서로 다른 대역에서 전자의 역위상 이동으로 구성된 악마는 음향적이고 전기적으로 중성이며 빛과 결합하지 않으므로 평형 상태의 3D 금속에서는 검출된 적이 없습니다. 그럼에도 불구하고, 악마는 혼합 원자가 반금속의 상전이, 금속 나노입자의 광학적 특성, Weyl 반금속의 사운드론, 금속 수소화물의 고온 초전도성을 포함한 다양한 현상에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨집니다. 여기에서는 운동량 분해 전자 에너지 손실 분광법을 통해 Sr2RuO4에 악마가 존재한다는 증거를 제시합니다. β 및 γ 밴드의 전자로 구성된 악마는 임계 운동량 qc = 0.08 역격자 단위 및 실온 속도 v = (1.065 ± 0.12) × 105m s−1로 틈이 없으며 30℃로 냉각 시 31% 재정규화를 거칩니다. K는 입자-정공 연속체와의 결합 때문입니다. 악마의 강도에 대한 운동량 의존성은 악마의 중립적 성격을 확인시켜 줍니다. 우리의 연구는 67년 된 예측을 확인하고 악마가 다중대역 금속의 만연한 특징일 수 있음을 나타냅니다.

1952년 Pines와 Bohm8이 제안한 플라즈몬은 비탄성 전자 산란 실험9에서 처음으로 관찰되었으며9 고체에서 집단 현상이 확인된 최초의 사례 중 하나였습니다. Landau는 플라즈몬을 '제로 사운드(zero sound)'라고 부르며 플라즈몬이 고전적인 가스의 음향 사운드의 양자 유사체임을 강조했습니다. 그러나 운동량 q가 0(즉, 파장이 무한대에 가까워짐)에서 주파수가 0에 가까워지는 일반적인 소리와는 달리, 플라즈몬은 저차원 시스템을 제외하고 여기하는 데 유한한 에너지가 필요합니다. 밀도 진동을 생성하려면 극복해야 하기 때문입니다. 장거리 쿨롱 상호작용1,8. 일반 금속의 플라즈마 주파수 Ωp 범위는 Al의 15eV(참조 11)에서 Cu의 20eV(참조 12)입니다.

1956년에 Pines는 쿨롱 에너지 비용 없이 플라즈몬 여기를 생성하는 것이 가능하다고 예측했습니다. '악마'라고 불리는 새로운 집단 모드는 서로 다른 대역의 전자가 위상을 벗어나 이동할 때 발생하며, 이로 인해 순 전하 이동이 발생하지 않고 대역 점유가 변조됩니다. 악마는 별도의 대역에 있는 전자에 의해 전하가 완전히 차단된 중성 준입자의 집단 모드로 생각할 수 있습니다. RPA(Random Phase Approximation)를 적용하여 Pines는 악마 모드의 주파수 Ω가 \(\omega \about q\)로 확장되고 \(q\to 0\)으로 사라져야 한다고 주장했습니다(참조 1).

놀랍게도 이론적 문헌1,2,5,6,13,14,15에서 널리 논의되었지만 예측 후 67년이 지난 후에도 3D 금속에 악마가 있다는 실험적 확인은 없는 것으로 보입니다. 음향 플라즈몬은 2차원(2D) 금속16,17,18,19에서 널리 연구되어 왔으며, 여기서 기존의 단일 구성 요소 플라즈몬은 간격이 없습니다. 저에너지 플라즈몬은 또한 q = π/d(d는 층 간격임)의 층상 3D 금속에서 보고되었으며, 대부분 최근에는 공진 비탄성 X선 산란 기술21,22에 의해 이러한 여기가 q = 0에서 Ωp로 분산되지만 음향23이 아닙니다. 광여기된 GaAs에서 악마가 보고된 적이 있지만 그 효과는 일시적이었습니다. 별개의 전자 유체의 역위상 이동으로 구성되고 3D 시스템에서 \(q\to 0\)으로 음향을 유지하는 진정한 악마는 아직 보고되지 않았습니다.

악마가 실험적으로 존재한다는 것이 밝혀졌다면 유체 역학과 RPA 이상의 효과를 통합하는 적절한 악마의 다체 이론이 반드시 필요할 것입니다.

악마를 탐지하기 어렵게 만드는 것은 고유한 전하 중립성입니다. 두 전자 유체의 역위상 전류는 정확히 \(q\to 0\)으로 상쇄되어 쿨롱 상호작용의 장거리 부분을 소멸시킵니다. 이러한 이유로 악마는 작은 q의 한계에서 금속의 유전 기능 \(\varepsilon (q,\omega )\)에 아무런 특징이 없으며 빛과 결합하지 않습니다. 악마를 탐지하는 가장 유망한 방법은 0이 아닌 q에서 다중대역 금속의 여기를 측정하는 것입니다. 여기서 악마는 밀도를 변조하고 원래 플라즈몬을 관찰했던 전자 에너지 손실 분광법(EELS) 기술을 사용하여 실험적으로 관찰할 수 있습니다9.

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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