Unconventional excitation spectra of two-dimensional transition metal compounds

Abstract

This thesis delivers a romance of dimensions I explored during my PhD. Amongst many dimensions, two-dimensional Flatland is quite unexplored but important area especially in the aspect of fundamental degrees of freedom (DOF) in nature. The interplay of DOF and the enhanced quantum fluctuations in two-dimensional (2D) systems often breaks down the classical models in condensed matter, and causes exotic phases such as quantum spin liquids, unconventional superconductivity and quantum Hall effects. The comprehensive studies of those phases are significant in both respects of explaining the questions on fundamental physics and driving the development of technology. The purpose of this thesis is to research the DOF and their interactions in strongly correlated system in 2D limits making use of resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) technique. RIXS is a state-of-the-art experimental method to investigate various excitations implying the energy difference between the ground and excited states in the materials. Specifically, I investigate the magnetic structure and the exotic phase from a strong spin-charge coupling in NiPS3, and the metal-insulator transition (MIT) induced by quantum confinement effects in SrRuO3 thin film. NiPS3 shows a zigzag-type antiferromagnetic order below the transition temperature 160 K. The high-resolution Ni L3 edge RIXS gives an important evidence to resolve the exact magnetic structure with both single-magnon dispersion and two-magnon continuum. The XXZ-type model Hamiltonian can give a clue to understanding the ideal 2D XY model. In addition, the small charge transfer energy between Ni and S forms complex multiplet states from the bonding of different electronic configurations. For this reason, the strong spin-charge coupling is observed through the unusual excitation attributed to the spin-flip of ligand hole and the formation of Zhang-Rice singlet states. The experimental results are interpreted by configuration interaction calculation and spin wave calculation. In the case of SrRuO3, the electronic structure of thin films as a function of thickness from the bulk limit to monolayer is examined via O K edge RIXS experiments. The study clarifies the interplay of orbital and charge DOF. I verified the orbital-selective quantum confinement effects (QCE), which splits the orbital levels of Ru, from the charge-transfer excitations. Moreover, the evidence of the MIT, the suppression of electron-hole continuum, coincides with the QCE at the same critical thickness. The result of RIXS experiments suggest that QCE by the geometrical restriction gives rise to MIT in ultrathin films.

응집물질 물리학에서 차원이라는 변수는 기존 고체에서 다뤄져 온 것과는 다른 새로운 발현 현상을 보여준다. 특히 그 중에서도 이차원은 자연에 존재하는 기초 자유도 (fundamental degrees of freedom)의 측면에서 매우 흥미롭고 중요하지만 아직까지도 그에 대한 이해는 부족하다. 자유도의 상호 작용과 이차원에서 두드러지는 양자 요동 (quantum fluctuation)의 효과는 응집 물질을 설명하는 고전 모형으로는 설명할 수 없는 양자 스핀 액체 (quantum spin liquid), 독특한 초전도 (unconventional superconductivity), 양자 홀 효과 (quantum Hall effect) 등의 독특한 물리 현상을 야기한다. 공명 비탄성 엑스선 산란 실험 (resonant inelastic x-ray scattering, RIXS)은 물질의 여기 상태를 관측함으로써 물질 내 자유도와 상호작용을 직접적으로 관측할 수 있는 실험 기법이다. 이 논문에서는 RIXS 실험 기법을 통해 이차원 강상관계물질의 다양한 여기 상태를 관측한 결과를 정리하였다. 특히, NiPS3의 자성 구조와 강한 스핀-전하 상호작용으로 인한 독특한 발현 현상과 SrRuO3 박막에서 나타나는 양자 속박 효과 (quantum confinement effect)로 인한 금속-절연체 상전이를 연구하였다. NiPS3는 160 K 이하의 저온에서 지그재그 형태의 반강자성을 띠는 물질이다. 고해상도의 Ni L3 edge RIXS 실험은 단일 마그논 분산과 이중 마그논 연속체를 통해 물질의 자성 구조를 정확하게 알아내는데 중요한 단서를 제공한다. 특히, 이를 통해 NiPS3의 자성 구조를 설명하는 XXY 형태의 해밀토니안 모형을 알아냄으로써 기존에 이론적으로 정립된 이차원 XY 모델을 이해하는 데 실마리를 얻을 수 있다. 또한 NiPS3의 니켈 (Ni)과 황 (S) 이온 사이의 전하 전이 에너지는 다른 물질에 비해 매우 작은 값을 가지기 때문에 서로 다른 여러가지 전하 배열을 가질 수 있다. 다양한 전하 배열의 결합은 NiPS3 내에 복잡한 다중항 상태를 만든다. 이러한 다중한 상태의 여기 상태를 관측함으로써 물질의 독특한 특성들을 연구할 수 있는데, 특히 본 연구에서는 리간드 홀의 스핀-뒤집음 (spin-flip)으로 형성되는 Zhang-Rice 단일항 상태를 통해 강한 스핀-전하 상호작용을 확인하였다. SrRuO3 박막의 경우, O K edge RIXS 실험을 통해 두께에 따른 전자 구조를 관측하여 전자 자유도와 오비탈 자유도의 상호작용을 주로 연구하였다. 전하 전이로 인한 여기 상태를 관측함으로써 오비탈 의존성을 가진 양자 속박 효과가 물질 내 루테늄 (Ru)의 오비탈 에너지 준위를 변화시킴을 확인하였다. 게다가 저에너지 영역에서 나타나는 전자-홀 연속 상태 (electron-hole continuum)의 변화는 SrRuO3의 금속-절연체 상전이를 분명히 보여준다. RIXS 실험의 결과를 통해 해당 상전이와 양자 속박 효과가 동시에 일어나는 것을 관측함으로써 두께가 매우 얇은 박막 영역에서 오비탈에 가해지는 기하학적 제한이 SrRuO3의 금속-절연체 상전이를 유도함을 밝혀내었다.