Electron Glass Phase with Resilient Zhang-Rice Singlets in LiCu3O3

角分辨光电子能谱 反铁磁性 铜酸盐 结晶学 密度泛函理论 材料科学 凝聚态物理 价(化学) 电子结构 物理 兴奋剂 化学 量子力学
作者
Armando Consiglio,G. Gatti,Edoardo Martino,Luca Moreschini,J. Johannsen,Krunoslav Prša,P. G. Freeman,Denis Sheptyakov,H. M. Rønnow,Rosario Scopelliti,Arnaud Magrez,László Forró,Cédric Schmitt,Vedran Jovic,Chris Jozwiak,Aaron Bostwick,Eli Rotenberg,Tobias Hofmann,Ronny Thomale,Giorgio Sangiovanni,Domenico Di Sante,Martin Greiter,M. Grioni,Simon Moser
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:132 (12)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.132.126502
摘要

${\text{LiCu}}_{3}{\mathrm{O}}_{3}$ is an antiferromagnetic mixed valence cuprate where trilayers of edge-sharing Cu(II)O ($3{d}^{9}$) are sandwiched in between planes of Cu(I) ($3{d}^{10}$) ions, with Li stochastically substituting Cu(II). Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and density functional theory reveal two insulating electronic subsystems that are segregated in spite of sharing common oxygen atoms: a Cu ${d}_{{z}^{2}}/\mathrm{O}$ ${p}_{z}$ derived valence band (VB) dispersing on the Cu(I) plane, and a Cu $3{d}_{{x}^{2}\ensuremath{-}{y}^{2}}/\mathrm{O}$ $2{p}_{x,y}$ derived Zhang-Rice singlet (ZRS) band dispersing on the Cu(II)O planes. First-principle analysis shows the Li substitution to stabilize the insulating ground state, but only if antiferromagnetic correlations are present. Li further induces substitutional disorder and a 2D electron glass behavior in charge transport, reflected in a large 530 meV Coulomb gap and a linear suppression of VB spectral weight at ${E}_{F}$ that is observed by ARPES. Surprisingly, the disorder leaves the Cu(II)-derived ZRS largely unaffected. This indicates a local segregation of Li and Cu atoms onto the two separate corner-sharing $\mathrm{Cu}(\mathrm{II}){\mathrm{O}}_{2}$ sub-lattices of the edge-sharing Cu(II)O planes, and highlights the ubiquitous resilience of the entangled two hole ZRS entity against impurity scattering.
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