庞磁电阻效应和强关联电子.ppt

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1、1,庞磁电阻效应和强关联电子(Colossal magnetoresistance effect and strongly correlated electrons),赖武彦中国科学院 物理研究所2006年,2,目录第一部分 较早的工作1，能带论的成功；金属性和绝缘性的解释2，能带论的困难；Mott绝缘体，Wigner 电子晶体3，重新研究反铁磁性4，庞磁电阻（CMR）的发现5，双交换模型6，JahnTeller效应第二部分 近年的进展7，电荷、自旋和轨道有序8，相分离9，电场效应；低维性质,3,背景：能带论框架下的困惑,物理学重大事件高温超导发现20周年 1986年，对反铁磁绝缘体掺杂后，得

2、到高温超导体。1987年1月，Anderson重提Mott强关联效应。1987年，获奖。1987年 强关联效应的广泛深入研究。能带论框架下的困惑早（1936）已存在 1995年，重提CMR（另一个例子）。强关联效应研究的一个切入点？,4,对CMR的兴趣何在？,强关联电子理论 超越“传统的能带理论”课题：Mott绝缘体、Wigner 电子晶体、高温超导、庞磁电阻、重费米子、巡游电子等注意，各种磁电阻（MR）现象受到关注，但物理机制不同：AMR,GMR,TMR 能带论框架内“自旋极化电子散射过程”CMR 非能带理论的“强关联电子跃迁过程”,5,第一部分 较早的工作 1，能带论的成功,1920年代，

3、量子力学成功应用于固体能带论（Bethe 1928;Sommerfeld 1928;Bloch 1929)量子力学怎样解释金属性和绝缘性？位阱中的电子气模型能带中的Bloch函数。（电子间相互作用的平均场处理）能带论成功范例：半导体1930年代 半导体能带论（Wilson 1931；Fowler 1933）1947年 发明晶体管（W.Shockley，W.Brattain，J.Bardeen）1959年 固体电路、集成电路1962年 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET）,6,2，能带论的困难,氧化钴CoO为什么不是金属？Co原子外壳层电子组态：3d74s2 O 原子外壳层电子组态：2p

4、42s2 NaCl结晶结构，每个单胞中，外壳层电子数目9615为奇数。为什么不是金属？答案：必需仔细计入电子之间Coulomb相互作用。（Peierls 1936;Mott 1936）产生Mott绝缘体概念,7,关于电子之间Coulomb相互作用的讨论 电子晶体的预言（Wigner 1934，1938）实验证实（1979）,一个基本的强关联电子系统电子动量 电子密度电子动能 电子库仑能 两者之比为 高密度情形 很小，Wigner晶体，强关联,8,3,重新研究反铁磁性,高温超导揭开物理学新的一页（J.D.Bednorz,K.A.Muller 1986）掺杂反铁磁氧化物 高温超导体NdCeCuO（

5、电子类）YBaCuO（空穴类）,9,历史上，另一个例子！掺杂反铁磁氧化物绝缘体 铁磁金属导体,早期实验（1950s）Jonker 和 Van Sante发现氧化物 当x0 和1，为 反铁磁性、绝缘体当0。2 x 0。4，为 铁磁性、金属,10,三种反铁磁氧化物的“掺杂”,11,Ti、Mn、Cu电子态DOS示意图,12,本讲以下的议题,1，为什么 是反铁磁Mott绝缘体？回忆Wigner的讨论：动能与位能的比较（电荷关联）2，为什么掺杂反铁磁体 是金属？Zener的双交换模型（电荷、自旋关联）3，关联和有序（电荷、自旋、轨道）,13,为什么是反铁磁性绝缘体？（1）,Mn原子的5个状态两类轨道状态

6、,14,为什么 是反铁磁性绝缘体？（2）,15,为什么 是反铁磁性绝缘体？（3),eg 电子的能量较高 t2g电子的能量较低,16,为什么 是反铁磁性绝缘体？（4）,Mn3+的自旋状态4个d电子自旋平行，电子强关联1巡游电子,S=1/23局域电子,S=3/2,17,为什么 是反铁磁性绝缘体？（5）,一，自旋位形？每个Mn格点上，4个d电子自旋平行相邻Mn格点间，氧的超交换作用，自旋相互反平行 这是，反铁磁性排列二，电荷分布？每个Mn格点上一个eg电子有可能巡游。但是，跃迁能量 t 库仑能量 U，无法“跳跃”“巡游”这是，绝缘体电子之间的库仑作用是关键！,18,4,CMR效应CMR的再发现（1）

7、1990s,大磁电阻相变：铁磁、金属顺磁、绝缘体,19,CMR的再发现（2）,CMR=99.99%Mott转变转变,20,CMR的再发现（3）,压力效应（上图）类似磁场效应（下图）:提高Tc降低电阻率。,21,掺杂材料 的电子结构（1）,掺杂后：形成 Mn3+/Mn4+混合价状态电荷掺杂成为导体（Jonker&Van Santen 1950）掺杂过程：一个La3+被A2+替代，为了达到电荷平衡，就要求有一个Mn3+丢失eg电子变为一个Mn4+。即，（2）（4）（2)3Mn3+本来有3个t2g和1个eg共4个电子。去掉1个eg电子成为Mn4+。Mn4+就有三个t2g电子，以及一个eg“空穴”！M

8、n3+格点上的eg电子,跳跃前、后，体系的状态能量简并。即跃迁并不耗能。这就是导体。,22,掺杂材料 电子结构（2）,极限情形：掺杂到x=1，在AMnO3中，Mn离子全部是Mn4+，形成离子自旋为S=3/2的局域自旋的晶格，还是反铁磁绝缘体。结论：反铁磁绝缘体（X0）铁磁导体（0。2 X 0。4）反铁磁绝缘体（X1）,23,5,双交换模型（1）（Zener 1951）,Mn3+与 Mn4+交换 双交换：两次跃迁过程两个状态相同（简并）eg电子氧离子氧离子电子 Mn4用简并微扰论计算,24,*双交换模型（2）从Mn3“跃迁”到Mn4+,1，Mn4 无eg 电子，eg电子间库仑能不会变化，但是2，

9、eg电子与局域t2g自旋间的洪德耦合会改变解释：Mn3 和Mn4之间，自旋夹角为。eg在局部自旋平行态（Mn3），能量JH eg到了局部自旋平行态（Mn4），能量JH cos 导致洪德能量的增量为 JH（1cos）平行，无增量。有利于跃迁。反平行增量最大,25,双交换模型（3）,计算结果：（推导另讲）相邻锰离子局域t2g自旋方向夹角为，eg电子的跃迁概率 角度因子，来自自旋量子化轴的变换结论：相邻格点Mn3+和Mn4+的局域自旋 彼此平行时 tij最大，反平行时 tij最小。,26,双交换模型（4）,物理意义 1，相邻局域自旋如果平行排列（铁磁性），有利于eg电子的巡游（金属性）2，eg电子的

10、巡游（金属性）通过洪德耦合，会导致 所经过的Mn离子局域自旋平行排列（铁磁性）（当然，要超过“超交换”）金属性、铁磁性都来源于“双交换机制”,27,*基于双交换模型解释实验（1）,磁场效应条件：掺杂造成 4价Mn离子的出现 从而导致 绝缘金属转变（Mott转变）外磁场使相邻格点局域自旋间夹角减小，增加跃迁概率，从而增加电导(减小电阻)这就是MR效应,28,*基于双交换模型解释实验（2）,温度效应1，低温下，磁矩M较有序，接近铁磁排列。利于巡游电子的DE运动。导致铁磁、金属状态。2，居里温度以上，磁矩M无序，远离铁磁排列。不利于巡游电子的DE运动。导致顺磁、绝缘状态两个相变：铁磁顺磁 和 金属绝

11、缘,29,*基于双交换模型解释实验（3）,压力效应与磁场效应比较：性质不同，但效果相似。加压增大t,加磁场减小ij 共同结果：增大动能tij提高Tc，扩大铁磁相区域，和降低电阻率。,30,基于双交换模型解释实验（4）定量的偏差（双交换模型的局限）,1，计算电阻率 远低于实验值2，计算居里点 远高于实验值原因：Zener模型中的载流子过于自由办法：寻找减小迁移率的机制（右图）,途径之一：JahnTeller 效应,31,6，JahnTeller 效应（1）,Mn3离子简并 两个eg轨道只有一个电子晶格将发生一小的畸变量，两个后果：1，简并的电子能级将分裂，电子占低能级，能量降低 a 2，晶格畸变

12、导致 弹性能增加b2,32,*JahnTeller 效应（2）,Mn为中心的氧八面体三类Jahn-Teller畸变1，伸缩模式2，压缩模式3，呼吸模式,33,JahnTeller 效应（3）,为甚麽晶格畸变会使“载流子”慢下来？自由电子 晶格畸变极化子电子带着畸变一起运动比较“不自由”结果：电子有效质量增大 与晶格的“散射”增加 导致电阻增加,34,观察Polaron Nature 440(7087)p1025-Apr.20,2006,35,第二部分 近年进展7，关联和有序电荷、自旋、轨道有序（1）,前面，已经讨论过了电荷有序Wigner电子晶体为甚麽同时有序？超交换作用：轨道排布不同，波函数

13、重叠不同 自旋排列也不同,36,*电荷、自旋、轨道有序（2）,的反铁磁？Mn3离子自旋排列为AFM。原因：同一格座上 eg与t2g的洪德FM耦合。相邻格座超交换AFM作用实际的轨道波函数的情况稍微复杂，JahnTeller 效应（电声子作用）结果：自旋序和轨道序关联（看下图）,37,*电荷、自旋、轨道有序（3）,自旋用箭头表示轨道为eg电子波函数看前面的简易图7（1）（含有氧原子）,38,*电荷、自旋、轨道有序（4）掺杂情况,下图中，圆圈 Mn4波瓣 Mn3,39,*电荷、自旋、轨道有序（5）,（计算另讲）Mn3+和Mn41，电荷棋盘2，自旋zigzag3，轨道转向，,40,电荷、自旋、轨道有

14、序（6）,小结：形成电荷、自旋和轨道有序的原因？1，电荷有序：势能大于动能 U t，例如，一个格点只能有一个 eg 电子。2，轨道有序：畸变能大于动能 g t。例如，eg、t2g 电子的轨道要对于 JT 晶格畸变方向取向。3，自旋有序（接下一页）,41,电荷、自旋、轨道有序（7）,3，自旋有序：离子内，Hund 耦合大于动能 JH t，例如，离子内部eg 自旋要平行於t2g自旋。相邻离子间，超交换作用。本质上都是库仑作用 Pauli 原理保证轨道有序与自旋有序的协调总之，库仑作用的强关联效应。,42,8，相分离,本讲开始部分提出问题：(一块)材料是金属还是绝缘体？本讲结束部分指出：(一块)材料

15、可以是金属和绝缘体多相共存？,43,相分离现象（1）,各种有序相的互动？La0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜 在稍低于Tc时的扫描隧道谱:共存的绝缘相与金属相团簇随磁场增加而此消彼长 rf.Science,285(1999)1540,44,相分离现象（2）,各种有序相的分离？共存？高分辨的原子像 IV 特性图电子绝缘相（左）半导体相（右）,45,9，电场效应和低维CMR性质,以前，改变掺杂（浓度）和薄膜厚度（维度），导致相变 如果，引进电场到多层膜结构，也可以导致维度、浓度改 变，从而导致相变。优点:电场导致的相变，并不增加晶体的缺陷。课题：（1）双交换和JT效应。库仑作用更强，声子模式特

16、别（2）“有序化”相分离的维度特点。（3）材料：同构异质材料较多，多层膜的界面和功能,46,低维高温超导的临界点,8纳米厚度的YBaCuO在MIS结构中：门电压的改变载流子浓度改变，从而临界温度改变。,47,CMR的p-n和MIS结构的奇特性质手段是用电场改变电子系统的浓度和维度,近年的成果:（1）pn 异质结的整流和相变，强关联效应。（2）电控浓度导致的相变和输运。强关联效应（3）通过铁电绝缘层，电控浓度导致的相变和输运。（4）光学过程中的多体效应、量子液体。（5）MIS中“反型层”的实现。（6）Mn基MIS中的2维电子气的实现。（7）电控维度导致的库仑作用改变强度。（8）电控维度导致的Jo

17、hnTeller效应的改变。,48,关于（1）pn 异质结的整流和相变（2）电控浓度导致的相变和输运中，出现强关联效应的例子,课题之一Mn基pn结，“电场控制结电阻的金属绝缘转变”Phys Rev Lett 88,027204(2002)Hidekazu Tanaka,*Jun Zhang,and Tomoji Kawai,49,强关联特征,（1）整流效应：温度上升，电导反而降低。和半导体相反。,50,强关联特征,（2）结电阻温度关系电压增大载流子浓度从而，结电阻；Tp。（强关联！）,51,强关联特征,（3）磁电阻温度关系电压导致MR（强关联！）,52,课题之二,Mn基MIS“电场控制的金属绝

18、缘转变”Appl Phys Lett 83,4860(2003)Teruo Kanki,Young-Geun Park,Hidekazu Tanaka and Tomoji Kawai,53,（1）样品结构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 元件面积=200 m500

19、m.,54,（2），极化PZT作绝缘体（为了提高界面电场）,55,（3）电阻温度关系，强关联特征,电场控制相变的证据结果之一：掺杂浓度低，电阻值高。浓度高，电阻值低。结果之二：电场Pr时，浓度低，电阻值高Pr时，浓度高，电阻值低 结果之三：电场Pr时，浓度低，相变温度低Pr时，浓度高，相变温度高,56,10，氧化物的场效应晶体管（FET）,关联氧化物系统中的电场效应，参考文献：Nature vol 424/28 Aug.2003/p1015-1018Electric field effect in correlated oxide systemsBy C.H.Ahn1,J.-M.Triscon

20、e2&J.Mannhart3什么是半导体FET？,57,半导体MIS,电场（门电压）改变载流子浓度和类型,58,ABO3的MIS电场（门电压）改变载流子浓度和类型rf.Nature 424,1015-1018(2003)C.H.Ahn et al,59,ABO3的MIS，PZT提高界面电场APL 83,4860(2003)Kanki et al,60,自旋电子学MIS示意图,61,准二维电子系统的比较,电子浓度（cm2）1015Si、GaAs半导体（Wigner，FQHE）CMR 锰氧化物 AFM 绝缘体 铁磁金属转变 AFM金属高温超导铜氧化物 AFM 绝缘体 绝缘超导转变 金属氧化物系统的困难：载流子浓度较高,62,困难点ABO3 MIS在较高浓度。而，半导体MIS在较低浓度。,63,结语,1，金属绝缘转变；Mott绝缘体2，强关联电子系统，超越传统理论（高温超导体、CMR、重费米子）3，CMR4，电荷、自旋、轨道有序5，相分离6，准2维强关联电子系统；MIS结构研究CMR的理由？,