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Ch5 CMR 和电子关联 （ 2 ）

Ch5 CMR 和电子关联 （ 2 ）. 2 学时. 引言 问题的意义 第一部分 较早的工作 －－对凝聚态物理的挑战 －－能带论的困难； －－反铁磁性和 ABO3 材料的普遍意义 －－庞磁电阻（ CMR ）的发现；双交换模型 －－对绝缘性和金属性的不同理解 第二部分 近年的进展 －－关联导致电荷、自旋和轨道有序 －－新的凝聚状态：相共存、相分离 －－ 2 维“关联”电子. 第二部分 近年进展 12 ，关联和有序（电荷、自旋、轨道）（ 1 ）. 前面，

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Ch5 CMR 和电子关联 （ 2 ）

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Presentation Transcript

  1. Ch5 CMR和电子关联（2） 2学时

  2. 引言 问题的意义 第一部分 较早的工作 －－对凝聚态物理的挑战 －－能带论的困难； －－反铁磁性和ABO3材料的普遍意义 －－庞磁电阻（CMR）的发现；双交换模型 －－对绝缘性和金属性的不同理解 第二部分 近年的进展 －－关联导致电荷、自旋和轨道有序 －－新的凝聚状态：相共存、相分离 －－2维“关联”电子

  3. 第二部分 近年进展12，关联和有序（电荷、自旋、轨道）（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？ 右图示意： 波函数重叠方式 →交换作用 → 自旋“序”就不同

  4. *电荷、自旋、轨道有序（2） 的反铁磁？ Mn3＋离子自旋排列为反铁磁（AFM）。 原因：同一格座上 eg与t2g的洪德铁磁（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， Jahn－Teller 效应（电声子作用） 结果：自旋序和轨道序关联（看下图）

  5. *电荷、自旋、轨道有序（3） 原子3d－波函数之间的 距离、相对取向 决定 交换作用的大小、符号。 从而决定 自旋取向。 自旋用箭头表示 轨道为eg电子波函数 参看前面的简易图 （含有氧原子）

  6. *电荷、自旋、轨道有序（4）掺杂情况（各种x＝？）*电荷、自旋、轨道有序（4）掺杂情况（各种x＝？） 右图中， 圆圈 Mn4＋ 波瓣 Mn3＋

  7. 电荷、自旋、轨道有序（5） （计算另讲） Mn3+和Mn4＋ 1，电荷棋盘 2，自旋zigzag 3，轨道转向，

  8. 电荷、自旋、轨道有序

  9. 电荷、自旋、轨道有序（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 J－T 晶格畸变方向取向。 3，自旋有序 （接下一页）

  10. 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。

  11. 13，相分离 本讲开始部分提出的问题是： (一块)材料是金属还是绝缘体？ 本讲结束部分指出，还可以提出下列问题： (一块)材料可以是金属和绝缘体多相共存？ 为什么？ 1，这里是多种相互作用竞争的“临界点”。 2，“显微镜”的分辨率大大提高。看到了真实。 3，真正的量子图像是超越“平均场”近似的。 －－－电子的关联效应。

  12. 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

  13. 相分离现象（2） 各种有序相的 分离？共存？ 高分辨的原子像 I－V 特性图 电子绝缘相（左） 半导体相（右）

  14. 14，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J－T效应。 库仑作用更强，声子模式特别 （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

  15. 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。

  16. 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）p－n 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John－Teller效应的改变。

  17. 一个例子强关联特征 整流效应：温度上升，电导反而降低。和半导体相反。

  18. 回忆：半导体界面,电场（门电压）改变载流子浓度、维度和类型回忆：半导体界面,电场（门电压）改变载流子浓度、维度和类型

  19. 15，氧化物的场效应晶体管（FET）ABO3的MIS电场（门电压）改变载流子浓度、维度和类型rf . Nature 424,1015-1018(2003) C.H.Ahn et al

  20. 困难点―――ABO3 MIS在较高浓度。而，半导体MIS在较低浓度。

  21. 结语：我们讨论了下列问题 1，自旋电子学的一条途径 2，高温超导性机制尚未解决 3，什么是“电子关联效应”？ 4，ABO3的普遍意义 5，（未掺杂的）LaMnO3是反铁磁绝缘体？ 6，（掺杂的）LSMO是导体 7, 双交换模型 8，J－T效应 9，电荷、自旋、轨道有序 10，相的分离 11，低维“关联电子”系统 12，相关理论

  22. 谢谢

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