Research Collection. Physical properties of artificially structured strongly correlated electron systems. Doctoral Thesis.

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1 Research Collection Doctoral Thesis Physical properties of artificially structured strongly correlated electron systems Author(s): Rüegg, Andreas Publication Date: 2009 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH No Physical Properties of Artificially Structured Strongly Correlated Electron Systems A dissertation submitted to ETH ZÜRICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Andreas Rüegg Dipl. Phys. ETH born April 11, 1979 citizen of Wädenswil and Mönchaltorf, Zürich accepted on the recommendation of Prof. Dr. M. Sigrist, examiner Prof. Dr. T. Kopp, co-examiner 2009

3 Abstract The amazing experimental progress in fabrication processes of layered structures has led to a fascinating new research field: artificial structures of complex materials with strongly correlated electron systems. The bright perspective for intriguing new physics with potential for applications is based on two important facts. First, artificial structures offer new options to control the material properties and it is possible to reach regimes which are not accessible in bulk. Second, materials with strongly correlated electron systems show a rich variety of electronic and magnetic states. Their phase diagrams are considerably richer compared to semiconductors and standard metals. It is therefore likely that remarkable new phenomena are observed in artificial structures with strongly correlated electron systems. This new field is still in its infancy and many fundamental as well as more applied questions have to be investigated. This thesis deals with the theory of strong correlation physics in heterostructures containing Mott and band insulators. Such systems are already realized in experiments using different transition metal oxides. Because these materials contain chemical bonding with a substantial ionic character, electrostatic considerations play an essential role in explaining the physical properties of the layered structures. Notably, the ionic charges of a layered structure may induce a large dipole field. If the latter is compensated by a rearrangement of electronic charges a conducting interface is formed between the two materials. Our goal is to characterize this metallic phase. In order to address the consequences of strong local correlations in the metallic state we use an extension of the slave-boson mean-field approximation introduced by Kotliar and Ruckenstein. A part of the thesis is therefore devoted to technical aspects related to this approach. Specifically, we develop a formulation which allows to include incoherent atom-like features in the single-particle spectral weight and we discuss in detail the generalization of the original formulation to the inhomogeneous situation with long-range Coulomb interaction. As a generic model to investigate the physical properties of layered band insulator/ Mott insulator structures we use a single-orbital Hubbard model extended to heterostructures. We investigate the interplay between the electrostatic problem and the effect of a strong local repulsion between the electrons. Within the iii

4 slave-boson mean-field approximation we find that the quasiparticles responsible for metallic behavior are subject to strong renormalization effects. In particular, itinerant and localized degrees of freedom hybridize in the interface region. This kind of hybridization is reminiscent of heavy fermion physics in homogeneous systems. The characteristic features of the interface are further studied by investigating the low-temperature quasiparticle transport of the layered structure from a semiclassical perspective. We focus on two quantities: the low-frequency optical conductivity and the thermoelectrical power. For both quantities, the contribution from the interface is of particular importance. In the limit of low temperatures the thermoelectrical power is enhanced if the effective hybridization between itinerant and localized degrees of freedom is small. It is especially large in situations with a sharp change in the spatial distribution of the electronic charge at the interface and in systems with a thick layer of the Mott insulator. This low-temperature behavior is in contrast to the behavior in the high temperatures limit which we describe by a generalization of Heikes formula to inhomogeneous systems. The field of nanoscale structured strongly correlated electron systems is rapidly growing and we hope that this thesis can provide useful inputs for both experiments and further theoretical studies. In particular, our results show that quantum mechanical coherence over several atomic monolayers in the vicinity of the interface leads to interesting and unusual phenomena. Surely, many more important aspects will be discussed in the future. They include various shortand long-range ordered phases in spin and orbital degrees of freedom, superconductivity as well as problems related to the physics of multiferroics and possible applications as spintronic devices. iv

5 Kurzfassung Der erstaunliche Fortschritt in der Herstellung von geschichteten Strukturen hat ein faszinierendes neues Forschungsgebiet hervorgebracht: künstliche Strukturen aus komplexen Materialien mit stark korrelierten Elektronensystemen. Die Aussicht, dass solche Systeme verblüffende neue Physik mit Potenzial für Anwendungen bieten, besteht aufgrund von zwei wichtigen Tatsachen. Erstens erlauben künstliche Strukturen neue Möglichkeiten zur Kontrolle der Materialeigenschaften und es können Parameterbereiche erreicht werden, die in den Grundmaterialien unzugänglich sind. Zweitens zeigen Materialien mit stark korrelierten Elektronensystemen eine Vielzahl von elektronischen und magnetischen Zuständen. Verglichen mit Halbleitern und konventionellen Metallen besitzen diese Materialien sehr viel reichhaltigere Phasendiagramme. Es ist daher wahrscheinlich, dass in künstlichen Strukturen mit stark korrelierten Elektronensystemen bemerkenswerte neue Phänomene beobachtet werden. Dieses neue Forschungsfeld steckt noch in den Kinderschuhen und sowohl fundamentale wie auch angewandte Fragestellungen müssen zuerst untersucht werden. Die vorliegende Doktorarbeit in theoretischer Physik beschäftigt sich mit starken Elektronenkorrelationen in künstlichen Strukturen, welche Mott- und Band-Isolatoren enthalten. Solche Systeme können bereits mit Übergangsmetall- Oxiden experimentell verwirklicht werden. Da die chemischen Bindungen in diesen Materialien einen stark ionischen Charakter besitzen, sind elektrostatische Betrachtungen besonders wichtig, um die physikalischen Eigenschaften einer geschichteten Struktur zu erklären. Die ionischen Ladungen in einer geschichteten Struktur können ein starkes Dipolfeld erzeugen. Wird jenes durch eine Umverteilung der elektronischen Ladungen ausgeglichen, so entsteht an jedem Materialübergang zwingend eine elektrisch leitende Zwischenschicht. Ziel ist es, deren metallischen Zustand zu charakterisieren. Um die Folgen von starken lokalen Korrelationen im leitenden Zustand zu untersuchen, benutzen wir hauptsächlich die Näherung der gemittelten Hilfsbosonenfelder (slave-boson mean-field approximation) von Kotliar und Ruckenstein. Ein Teil dieser Arbeit ist daher technischen Aspekten dieser Methode gewidmet. Insbesondere entwickeln wir eine Formulierung, um atomare Besonderheiten in der Einteilchen-Spektraldichte zu untersuchen, und wir diskutieren v

6 die Verallgemeinerung der ursprünglichen Formulierung auf inhomogene Systeme mit langreichweitiger Coulomb-Wechselwirkung. Als ein generisches Modell zur Untersuchung physikalischer Eigenschaften von Band-Isolator/ Mott-Isolator-Strukturen benutzen wir ein für Heterostrukturen erweitertes Ein-Orbital-Hubbard-Modell. Wir untersuchen das Wechselspiel zwischen dem elektrostatischen Problem und Effekten starker lokaler Elektronenkorrelation. Innerhalb der Näherung der gemittelten Hilfsbosonenfelder finden wir, dass die für das metallische Verhalten verantwortlichen Quasiteilchen stark renormiert werden. Insbesondere findet in der Zwischenschicht eine Hybridisierung von beweglichen und lokalisierten Zuständen statt. Die Art und Weise der Hybridisierung erinnert an homogene Systeme mit schweren Fermionen. Wir untersuchen die charakteristischen Besonderheiten der Zwischenschicht weiter, indem wir den niederenergetischen Quasiteilchentransport von einem semiklassischen Gesichtspunkt aus studieren. Dabei konzentrieren wir uns auf zwei Grössen: die niederfrequente optische Leitfähigkeit und die thermoelektrische Kraft. Der Beitrag von der Zwischenschicht ist für beide Grössen von besonderer Bedeutung. Im Limes tiefer Temperaturen ist die thermoelektrische Kraft erhöht, wenn die effektive Hybridisierung zwischen den beweglichen und lokalisierten Freiheitsgraden klein wird. Sie ist besonders erhöht in Systemen mit einer räumlich abrupten Änderung der Leitungselektronenverteilung und in Heterostrukturen mit einer dicken Mott-isolierenden Schicht. Dieses Tieftemperaturverhalten steht im Gegensatz zum Hochtemperaturverhalten, welches wir mit einer Verallgemeinerung von Heikes Formel auf inhomogene Systeme untersuchen. Das Forschungsgebiet der Nanostrukturen mit stark korrelierten Elektronensystemen wächst zur Zeit sehr schnell und wir hoffen, dass diese Arbeit nützliche Anstösse für Experimente und weiterführende theoretische Arbeiten geben kann. Insbesondere zeigen unsere Resultate, dass quantenmechanische Kohärenz über mehrere atomare Schichten zu interessanten und ungewöhnlichen Phänomenen führt. Sicherlich werden in Zukunft viele weitere wichtige Aspekte detailliert untersucht werden. Diese beinhalten die Physik von verschiedenen kurz- und langreichweitig, magnetisch und orbital geordneten Zuständen, Supraleitung sowie auch Fragestellungen, die sich mit Multiferroika oder möglichen Spintronic-Anwendungen beschäftigen. vi