[김동현, 박중하 학생, 김기훈 교수] 니켈산화물 초전도체의 스핀밀도파에 의한 전자 재구조화 궤도 속성 및 대칭성 규명 (Physical Review Letters 논문 게재)
다중층 니켈산화물 La3Ni2O7 및 La4Ni3O10는 스핀밀도파 자기상전이를 일으키며, 압력을 가하면 80 K과 20 K에서 초전도체가 된다. 이들 니켈산화물에서 스핀밀도파 및 고온 초전도 상의 발현 메커니즘과 연관성을 밝히기 위해 많은 연구자들이 노력했지만, 구체적으로 각 상전이에서 어떤 형태로 전자 구조가 변화하는지 정립되지 않아 현상을 정확히 기술하는 이론을 수립하는데 어려움이 있었다.
본 연구에서 우리 학부 김기훈 교수가 이끄는 연구팀은 편광의존 전자 라만 산란 측정으로 La4Ni3O10 결정에서 스핀밀도파 상전이에 따른 전자갭 형성을 관측하는데 성공하였으며, 이를 통해 어떤 궤도 속성의 전자들이 어떤 대칭성을 가지는 전자구조 변화를 일으키는지 규명하였다. La4Ni3O10이 스핀밀도파 상전이를 거치자 A1g (s-wave) 및 B1g (dx2-y2-wave) 채널의 스펙트럼에서 전자갭 형성이 관측되었으며, 에너지 가중치(spectral weight) 변화를 분석하여 니켈 dx2-y2 궤도 전자들이 이러한 전자 결맞음(electronic coherence)을 발현한다는 것을 보였다.
이번 실험 연구의 발견으로 어떤 궤도 전자들이 니켈산화물에서 전자 및 자기 상호작용에 참여하는지 밝혔으며, 스핀밀도파 형성 메커니즘을 바탕으로 고온 초전도 상태의 발현 및 결합 대칭성을 이론적으로 설명하는데 있어 중요한 실마리를 제공하였다. 본 연구 결과는 Physical Review Letters에 게재되었다.
While the superconductivity and density wave orders have been discovered recently in various layered nickelates, the microscopic origins of those electronic orders remain unresolved despite numerous theoretical proposals. Using polarized Raman spectroscopy, we investigate the temperature-dependent evolution of electronic response in trilayer nickelate La4Ni3O10. Raman spectra of La4Ni3O10 single crystals exhibit a systematic reduction of the incoherent electron continuum across the spin density wave (SDW) transition. Through the polarization-resolved measurements, we uncover that the SDW coherence develops specifically in the symmetric and nodal representations. Analysis based on the Fermi surface band curvatures further suggests a partial removal of a conduction band in the crystal momentum positions with a predominant orbital character. Our observations thus establish the symmetry channels and the active role of orbitals involved in the SDW formation, which in turn constitutes an important clue to understanding the pressure-driven superconductivity.
Publication: Phys. Rev. Lett. 135, 136505 (2025); https://doi.org/10.1103/1tp1-y73g