分數(shù)價態(tài)La?Ir?O??中發(fā)現(xiàn)軌道選擇性自旋軌道耦合Mott絕緣態(tài) | 進展

在強關(guān)聯(lián)電子體系中，Mott 絕緣態(tài)是電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)最典型的體現(xiàn)，其形成通常建立在半滿填充單帶模型的基礎(chǔ)上。例如銅氧化物母體中的Mott絕緣態(tài)，以及5d銥氧化物中由強自旋軌道耦合分離出的Jeff = 1/2 Mott絕緣態(tài)，都依賴于接近半滿填充的電子構(gòu)型。按照傳統(tǒng)理解，當(dāng)體系發(fā)生顯著電子或空穴摻雜、偏離半滿填充條件時，載流子將迅速破壞電子局域化，導(dǎo)致Mott絕緣態(tài)坍塌并轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)。因此，一個有待檢驗的問題是：Mott絕緣態(tài)能否在非半滿填充的分數(shù)價態(tài)條件下穩(wěn)定存在？

針對這一問題，近期中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點實驗室許兵特聘研究員與河南大學(xué)王凱教授、天津大學(xué)趙建洲教授、南京大學(xué)戴耀民教授課題組合作，采用紅外光譜實驗結(jié)合第一性原理計算，系統(tǒng)研究了分數(shù)價態(tài)銥氧化物L(fēng)a?Ir?O??的電子結(jié)構(gòu)與低能激發(fā)行為，揭示了其軌道選擇性的自旋軌道耦合Mott絕緣態(tài)的形成機制。

實驗結(jié)果表明，盡管La?Ir?O??相對于典型自旋軌道Mott絕緣體存在1/3的有效空穴摻雜，其基態(tài)仍表現(xiàn)出穩(wěn)健的絕緣特性。理論分析進一步指出，這一非常規(guī)絕緣態(tài)源于多種物理機制的協(xié)同作用，包括：強自旋軌道耦合、Ir-Ir二聚化效應(yīng)、晶格畸變以及電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。上述因素共同驅(qū)動體系進入一種軌道選擇性電子態(tài)：其中，Jeff= 1/2能帶被推至接近半滿填充并發(fā)生Mott轉(zhuǎn)變，而Jeff = 3/2能帶則形成帶隙背景，兩種能隙的共存與協(xié)同作用穩(wěn)定了分數(shù)價態(tài)下的絕緣基態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)將自旋軌道耦合Mott絕緣體從傳統(tǒng)的5d?情形拓展至更廣泛的分數(shù)價態(tài)體系，為在多軌道強關(guān)聯(lián)材料中探索和調(diào)控新型量子關(guān)聯(lián)相提供了新的研究路徑。

圖: La?Ir?O??中的光學(xué)激發(fā)特征和軌道選擇性Mott絕緣態(tài)的形成示意圖。

相關(guān)研究成果以“Orbital-Selective Spin-Orbit Mott Insulator in Fractional Valence Iridate La?Ir?O??”為題，發(fā)表于美國物理學(xué)會期刊《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett. 136, 096501 (2026)】。該工作受到了國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃項目和中國科學(xué)院的資助。

編輯：東君