Quantum Critical Behavior in Metallic Quantum Well of Strongly Correlated Oxides

強相関電子系において量子相転移の近傍に現れる量子臨界現象の制御は,近代の凝縮系物理における一つの大きな挑戦 である。これまでに,量子相転移の起源は磁場や圧力といった限られた外場の変化によって研究されてきた。我々は,強 相関酸化物の金属量子井戸構造における次元性制御により量子揺らぎの大きさを変えることで,量子臨界現象を調べるこ とができる新しい方法を開発した。この結果は,人工制御可能な量子井戸構造が強相関酸化物における量子現象を調べる ための理想的な舞台を提供することを示唆する。 は非常に挑戦的であり,これまでに報告がなかった。 そこで,我々は,量子臨界現象の研究に対して,強相関 酸化物の量子井戸(QW)における 3Dから 2Dへの次元 性転遷を用いた新しい手法を提案する。QW構造は,膜厚 が非常に薄い薄膜であり,層状酸化物と構造的に類似して いるが,層状酸化物に存在する層間の複雑な相互作用は存 在しない。我々は QW構造において強相関酸化物の伝導 層の数を分子層(ML)単位で制御し,長距離秩序と量子 揺らぎの間の競合が次元性(膜厚 t)の関数として正確に 調べられることを見出した。 ここで,強相関酸化物として,極薄膜で量子井戸状態 を発現する SrVO3(SVO)薄膜を選択した [9-12]。単結晶 SVOは単純な電子配置 3d(t2g)を持った典型的な Fermi液 体(FL)金属である [13]。その場角度分解光電子分光(in situ ARPES)によって,SVO QW構造に閉じ込められた強 相関電子の FL状態は t = 6 MLまで観測された。この結果 は,量子化したサブバンドの ARPESスペクトルの形状が FL描像の枠組みで良く記述されることを示唆する [9,11]。 それに加えて,我々が以前に報告した角度積分光電子分 光(AIPES)研究から,SVO-QW状態は,3–5 MLの次元 性転遷領域を経て,臨界膜厚(tc)2–3 MLにおいて,FL 金属からMott絶縁体への膜厚依存金属絶縁体転移(MIT) を示すことが明らかとなっている [10]。つまり,SVO-QW 構造は,Mott絶縁体相と二次元的な FL状態(QW状態) の境界における電子構造変化を調べるだけでなく,次元性 転遷に由来する量子揺らぎが増大することによって誘起さ れる量子臨界現象を調べるための理想的な舞台となりえ る。