龐磁電阻效應(yīng)和強關(guān)聯(lián)電子.ppt

1,龐磁電阻效應(yīng)和強關(guān)聯(lián)電子 (Colossal magnetoresistance effect and strongly correlated electrons),賴武彥 中國科學(xué)院 物理研究所 2006年,2,目錄 第一部分 較早的工作 1，能帶論的成功；金屬性和絕緣性的解釋 2，能帶論的困難；Mott絕緣體，Wigner 電子晶體 3，重新研究反鐵磁性 4，龐磁電阻（CMR）的發(fā)現(xiàn) 5，雙交換模型 6，JahnTeller效應(yīng) 第二部分 近年的進展 7，電荷、自旋和軌道有序 8，相分離 9，電場效應(yīng)；低維性質(zhì),3,背景：能帶論框架下的困惑,物理學(xué)重大事件高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)20周年 1986年，對反鐵磁絕緣體摻雜后，得到高溫超導(dǎo)體。 1987年1月，Anderson重提Mott強關(guān)聯(lián)效應(yīng)。 1987年， 獲獎。 1987年 強關(guān)聯(lián)效應(yīng)的廣泛深入研究。 能帶論框架下的困惑早（1936）已存在 1995年，重提CMR（另一個例子）。 強關(guān)聯(lián)效應(yīng)研究的一個切入點？,4,對CMR的興趣何在？,強關(guān)聯(lián)電子理論 超越“傳統(tǒng)的能帶理論” 課題：Mott絕緣體、 Wigner 電子晶體、高溫超導(dǎo)、龐磁電阻、 重費米子、巡游電子等 注意，各種磁電阻（MR）現(xiàn)象受到關(guān)注，但物理機制不同： AMR,GMR,TMR 能帶論框架內(nèi)“自旋極化電子散射過程” CMR 非能帶理論的“強關(guān)聯(lián)電子躍遷過程”,5,第一部分 較早的工作 1，能帶論的成功,1920年代，量子力學(xué)成功應(yīng)用于固體能帶論 （Bethe 1928;Sommerfeld 1928;Bloch 1929) 量子力學(xué)怎樣解釋金屬性和絕緣性？ 位阱中的電子氣模型能帶中的Bloch函數(shù)。 （ 電子間相互作用的平均場處理） 能帶論成功范例：半導(dǎo)體 1930年代 半導(dǎo)體能帶論（Wilson 1931；Fowler 1933） 1947年 發(fā)明晶體管（W.Shockley，W.Brattain，J.Bardeen ） 1959年 固體電路、集成電路 1962年 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET）,6,2，能帶論的困難,氧化鈷CoO為什么不是金屬？ Co原子外殼層電子組態(tài)：3d74s2 O 原子外殼層電子組態(tài)： 2p42s2 NaCl結(jié)晶結(jié)構(gòu)， 每個單胞中，外殼層電子數(shù)目9615為奇數(shù)。 為什么不是金屬？ 答案：必需仔細計入電子之間Coulomb相互作用。 （Peierls 1936 ; Mott 1936）產(chǎn)生Mott絕緣體概念,7,關(guān)于電子之間Coulomb相互作用的討論 電子晶體的預(yù)言（ Wigner 1934，1938） 實驗證實 （1979）,一個基本的強關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng) 電子動量 電子密度 電子動能 電子庫侖能 兩者之比為 高密度情形 很小， Wigner晶體，強關(guān)聯(lián),8,3,重新研究反鐵磁性,高溫超導(dǎo)揭開物理學(xué)新的一頁 （J.D.Bednorz , K.A.Muller 1986） 摻雜反鐵磁氧化物 高溫超導(dǎo)體 NdCeCuO （電子類） YBaCuO （空穴類）,9,歷史上，另一個例子！ 摻雜反鐵磁氧化物絕緣體 鐵磁金屬導(dǎo)體,早期實驗（1950s） Jonker 和 Van Sante發(fā)現(xiàn) 氧化物 當x0 和1， 為 反鐵磁性、絕緣體 當0。2 x 0。4， 為 鐵磁性、金屬,10,三種反鐵磁氧化物的“摻雜”,11,Ti、Mn、Cu電子態(tài)DOS示意圖,12,本講以下的議題,1，為什么 是反鐵磁Mott絕緣體？ 回憶Wigner的討論：動能與位能的比較（電荷關(guān)聯(lián)） 2，為什么摻雜反鐵磁體 是金屬？ Zener的雙交換模型（電荷、自旋關(guān)聯(lián)） 3，關(guān)聯(lián)和有序（電荷、自旋、軌道）,13,為什么 是反鐵磁性絕緣體？ （1）,Mn原子的 5個狀態(tài) 兩類軌道狀態(tài),14,為什么 是反鐵磁性絕緣體？（2）,15,為什么 是反鐵磁性絕緣體？（3),eg 電子的 能量較高 t2g電子的 能量較低,16,為什么 是反鐵磁性絕緣體？（4）,Mn3+的自旋狀態(tài) 4個d電子自旋平行， 電子強關(guān)聯(lián) 1巡游電子, S=1/2 3局域電子, S=3/2,17,為什么 是反鐵磁性絕緣體？（5）,一，自旋位形？ 每個Mn格點上，4個d電子自旋平行 相鄰Mn格點間，氧的超交換作用，自旋相互反平行 這是，反鐵磁性排列 二， 電荷分布？ 每個Mn格點上一個eg電子有可能巡游。但是， 躍遷能量 t 庫侖能量 U，無法“跳躍”“巡游” 這是，絕緣體 電子之間的庫侖作用是關(guān)鍵！,18,4,CMR效應(yīng) CMR的再發(fā)現(xiàn)（1）1990s,大磁電阻 相變： 鐵磁、金屬 順磁、絕緣體,19,CMR的再發(fā)現(xiàn)（2）,CMR= 99.99 % Mott轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變,20,CMR的再發(fā)現(xiàn)（3）,壓力效應(yīng)（上圖） 類似 磁場效應(yīng)（下圖）: 提高Tc 降低電阻率。,21,摻雜材料 的電子結(jié)構(gòu)（1）,摻雜后：形成 Mn3+/ Mn4+ 混合價狀態(tài) 電荷摻雜成為導(dǎo)體（Jonker & Van Santen 1950） 摻雜過程：一個La3+被A2+替代， 為了達到電荷平衡，就要求有一個Mn3+丟失eg電子變?yōu)橐粋€Mn4+。即，（2）（4）（2)3 Mn3+本來有3個t2g和1個eg共4個電子。去掉1個eg電子成為Mn4+。 Mn4+就有三個t2g電子，以及一個eg“空穴”！ Mn3+格點上的eg電子, 跳躍前、后，體系的狀態(tài)能量簡并。即躍遷并不耗能。 這就是導(dǎo)體。,22,摻雜材料 電子結(jié)構(gòu)（2）,極限情形：摻雜到x=1，在AMnO3中， Mn離子全部是Mn4+ ， 形成離子自旋為S=3/2的局域自旋的晶格， 還是反鐵磁絕緣體。 結(jié)論：反鐵磁絕緣體（X0） 鐵磁導(dǎo)體（0。2 X 0。4） 反鐵磁絕緣體（X1）,23,5,雙交換模型（1） （Zener 1951）,Mn3+ 與 Mn4+交換 雙交換：兩次躍遷過程 兩個狀態(tài)相同（簡并） eg電子氧離子 氧離子電子 Mn4 用簡并微擾論計算,24,*雙交換模型（2）從Mn3“躍遷”到Mn4+,1，Mn4 無eg 電子，eg電子間庫侖能不會變化，但是 2，eg電子與局域t2g自旋間的洪德耦合會改變 解釋：Mn3 和Mn4之間，自旋夾角為 。 eg在局部自旋平行態(tài)（Mn3），能量JH eg到了局部自旋平行態(tài)（Mn4），能量JH cos 導(dǎo)致洪德能量的增量為 JH（1cos） 平行，無增量。有利于躍遷。 反平行增量最大,25,雙交換模型（3）,計算結(jié)果：（推導(dǎo)另講） 相鄰錳離子局域t2g自旋方向夾角為 ， eg電子的躍遷概率 角度因子，來自自旋量子化軸的變換 結(jié)論： 相鄰格點Mn3+ 和Mn4+的局域自旋 彼此平行時 tij最大，反平行時 tij最小。,26,雙交換模型（4）,物理意義 1，相鄰局域自旋如果平行排列（鐵磁性）， 有利于eg電子的巡游（金屬性） 2，eg電子的巡游（金屬性）通過洪德耦合，會導(dǎo)致 所經(jīng)過的Mn離子局域自旋平行排列（鐵磁性） （當然，要超過“超交換”） 金屬性、鐵磁性都來源于“雙交換機制”,27,*基于雙交換模型解釋實驗（1）,磁場效應(yīng) 條件：摻雜造成 4價Mn離子的出現(xiàn) 從而導(dǎo)致 絕緣金屬轉(zhuǎn)變（Mott轉(zhuǎn)變） 外磁場使相鄰格點局域自旋間夾角減小， 增加躍遷概率，從而增加電導(dǎo)(減小電阻) 這就是MR效應(yīng),28,*基于雙交換模型解釋實驗（2）,溫度效應(yīng) 1，低溫下，磁矩M較有序，接近鐵磁排列。 利于巡游電子的DE運動。導(dǎo)致鐵磁、金屬狀態(tài)。 2，居里溫度以上，磁矩M無序，遠離鐵磁排列。 不利于巡游電子的DE運動。導(dǎo)致順磁、絕緣狀態(tài) 兩個相變：鐵磁順磁 和 金屬絕緣,29,*基于雙交換模型解釋實驗（3）,壓力效應(yīng) 與磁場效應(yīng)比較：性質(zhì)不同，但效果相似。 加壓增大t , 加磁場減小ij 共同結(jié)果：增大動能tij 提高Tc，擴大鐵磁相區(qū)域，和降低電阻率。,30,基于雙交換模型解釋實驗（4） 定量的偏差（雙交換模型的局限）,1，計算電阻率 遠低于實驗值 2，計算居里點 遠高于實驗值 原因：Zener模型中的載流子過于自由 辦法：尋找減小遷移率的機制 （右圖）,途徑之一：JahnTeller 效應(yīng),31,6， JahnTeller 效應(yīng)（1）,Mn3離子 簡并 兩個eg軌道只有一個電子 晶格將發(fā)生一小的畸變量， 兩個后果： 1，簡并的電子能級將分裂，電子占低能級， 能量降低 a 2，晶格畸變導(dǎo)致 彈性能增加b2,32,*JahnTeller 效應(yīng)（2）,Mn為中心的氧八面體 三類Jahn-Teller畸變 1，伸縮模式 2，壓縮模式 3，呼吸模式,33,JahnTeller 效應(yīng)（3）,為甚麼晶格畸變會使 “載流子” 慢下來？ 自由電子 晶格畸變 極化子 電子帶著畸變一起運動 比較“不自由” 結(jié)果：電子有效質(zhì)量增大 與晶格的“散射” 增加 導(dǎo)致電阻增加,34,觀察Polaron Nature 440(7087) p1025-Apr.20,2006,35,第二部分 近年進展 7，關(guān)聯(lián)和有序 電荷、自旋、軌道有序（1）,前面，已經(jīng)討論過了電荷有序Wigner電子晶體 為甚麼同時有序？ 超交換作用： 軌道排布不同 ， 波函數(shù)重疊不同 自旋排列也不同,36,*電荷、自旋、軌道有序（2）,的反鐵磁？ Mn3離子自旋排列為AFM。 原因：同一格座上 eg與t2g的洪德FM耦合。 相鄰格座超交換AFM作用 實際的軌道波函數(shù)的情況稍微復(fù)雜， JahnTeller 效應(yīng)（電聲子作用） 結(jié)果：自旋序和軌道序關(guān)聯(lián)（看下圖）,37,*電荷、自旋、軌道有序（3）,自旋用箭頭表示 軌道為eg電子波函數(shù) 看前面的簡易圖7（1） （含有氧原子）,38,*電荷、自旋、軌道有序（4） 摻雜情況,下圖中， 圓圈 Mn4 波瓣 Mn3,39,* 電荷、自旋、軌道有序（5）,（計算另講） Mn3+和Mn4 1，電荷棋盤 2，自旋zigzag 3，軌道轉(zhuǎn)向，,40,電荷、自旋、軌道有序（6）,小結(jié)：形成電荷、自旋和軌道有序的原因？ 1，電荷有序： 勢能大于動能 U t ， 例如，一個格點只能有一個 eg 電子。 2，軌道有序：畸變能大于動能 g t。 例如，eg、 t2g 電子的軌道要對于 JT 晶格畸變方向取向。 3，自旋有序 （接下一頁）,41,電荷、自旋、軌道有序（7）,3，自旋有序： 離子內(nèi)，Hund 耦合大于動能 JH t ， 例如，離子內(nèi)部eg 自旋要平行於t2g自旋。 相鄰離子間，超交換作用。 本質(zhì)上都是庫侖作用 Pauli 原理保證軌道有序與自旋有序的協(xié)調(diào) 總之，庫侖作用的強關(guān)聯(lián)效應(yīng)。,42,8，相分離,本講開始部分提出問題： (一塊)材料是金屬還是絕緣體？ 本講結(jié)束部分指出： (一塊)材料可以是金屬和絕緣體多相共存？,43,相分離現(xiàn)象（1）,各種有序相的互動？ La0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜 在稍低于Tc時的掃描隧道譜: 共存的絕緣相與金屬相團簇隨磁場增加而此消彼長 rf. Science ,285(1999)1540,44,相分離現(xiàn)象（2）,各種有序相的 分離？共存？ 高分辨的原子像 IV 特性圖 電子絕緣相（左） 半導(dǎo)體相（右）,45,9，電場效應(yīng)和低維CMR性質(zhì),以前，改變摻雜（濃度）和薄膜厚度（維度），導(dǎo)致相變 如果，引進電場到多層膜結(jié)構(gòu)， 也可以導(dǎo)致維度、濃度改 變，從而導(dǎo)致相變。 優(yōu)點: 電場導(dǎo)致的相變，并不增加晶體的缺陷。 課題： （1）雙交換和JT效應(yīng)。 庫侖作用更強，聲子模式特別 （2） “有序化”相分離的維度特點。 （3）材料：同構(gòu)異質(zhì)材料較多，多層膜的界面和功能,46,低維高溫超導(dǎo)的臨界點,8納米厚度的YBaCuO在MIS結(jié)構(gòu)中： 門電壓的改變 載流子濃度改變， 從而臨界溫度改變。,47,CMR的p-n和MIS結(jié)構(gòu)的奇特性質(zhì) 手段是用電場改變電子系統(tǒng)的濃度和維度,近年的成果: （1）pn 異質(zhì)結(jié)的整流和相變，強關(guān)聯(lián)效應(yīng)。 （2）電控濃度導(dǎo)致的相變和輸運。強關(guān)聯(lián)效應(yīng) （3）通過鐵電絕緣層，電控濃度導(dǎo)致的相變和輸運。 （4）光學(xué)過程中的多體效應(yīng)、量子液體。 （5）MIS中“反型層”的實現(xiàn)。 （6）Mn基MIS中的2維電子氣的實現(xiàn)。 （7）電控維度導(dǎo)致的庫侖作用改變強度。 （8）電控維度導(dǎo)致的JohnTeller效應(yīng)的改變。,48,關(guān)于（1）pn 異質(zhì)結(jié)的整流和相變 （2）電控濃度導(dǎo)致的相變和輸運 中，出現(xiàn)強關(guān)聯(lián)效應(yīng)的例子,課題之一 Mn基pn結(jié)，“電場控制結(jié)電阻的金屬絕緣轉(zhuǎn)變” Phys Rev Lett 88,027204(2002) Hidekazu Tanaka,* Jun Zhang, and Tomoji Kawai,49,強關(guān)聯(lián)特征,（1）整流效應(yīng)：溫度上升，電導(dǎo)反而降低。和半導(dǎo)體相反。,50,強關(guān)聯(lián)特征,（2） 結(jié)電阻溫度關(guān)系 電壓增大 載流子濃度 從而， 結(jié)電阻；Tp 。 （強關(guān)聯(lián)?。?51,強關(guān)聯(lián)特征,（3） 磁電阻溫度關(guān)系 電壓導(dǎo)致MR （強關(guān)聯(lián)?。?52,課題之二,Mn基MIS “電場控制的金屬絕緣轉(zhuǎn)變” Appl Phys Lett 83,4860(2003) Teruo Kanki,Young-Geun Park, Hidekazu Tanaka and Tomoji Kawai,53,（1）樣品結(jié)構(gòu)MIS,The La12xBaxMnO3 (x0.10 or x=0.15) (as LBMO) PbZr0.2Ti0.8O3 (as PZT) SrTiO3(001) (as STO) Using a pulsed laser deposition (PLD, =193 nm) MIS = STO(single crystal)/ LBMO(6 nm)/ PZT(300 nm)/Gate 元件面積=200 m500 m.,54,（2），極化PZT作絕緣體 （為了提高界面電場）,55,（3）電阻溫度關(guān)系， 強關(guān)聯(lián)特征,電場控制相變的證據(jù) 結(jié)果之一：摻雜 濃度低，電阻值高。 濃度高，電阻值低。 結(jié)果之二：電場 Pr時，濃度低，電阻值高 Pr時，濃度高，電阻值低 結(jié)果之三：電場 Pr時，濃度低，相變溫度低 P