Новости

May 24, 2023

Давление

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 9647 (2022) Цитировать эту статью

907 Доступов

3 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Индуцированные давлением переходы Мотта изолятор-металл часто сопровождаются коллапсом магнитных взаимодействий, связанным с делокализацией 3d-электронов и переходом из высокоспинового состояния в низкоспиновое (HS-LS). Здесь мы обращаемся к давнему спору относительно поведения при высоких давлениях архетипического изолятора Мотта FeBO3 и показываем недостаточность стандартного теоретического подхода, предполагающего обычный переход HS-LS, для описания электронных свойств изоляторов Мотта при высоких температурах. давления. Используя рентгеновские дифракционные измерения высокого разрешения, дополненные мессбауэровской спектроскопией, до давлений ~ 150 ГПа, мы документируем необычное электронное состояние, характеризующееся «смешанным» состоянием HS/LS со стабильным соотношением содержания, реализованным в \(R\overline{ 3 }в\) кристаллическая структура с одной позицией Fe в широком диапазоне давлений ~ 50–106 ГПа. Наши результаты предполагают нетрадиционный кооперативный (и, вероятно, динамический) характер упорядочения узлов HS/LS Fe, случайно распределенных по решетке, что приводит к фрустрации магнитных моментов.

Электронные и магнитные фазовые переходы, индуцированные давлением, в 3d-соединениях переходных металлов были широко распространенной темой исследований на протяжении последних десятилетий, особенно актуальной для понимания высокотемпературной сверхпроводимости, переходов металл-диэлектрик, колоссального магнитосопротивления и поведения тяжелых фермионов1. 2,3,4. При атмосферном давлении многие из этих соединений принадлежат к широкому классу изоляторов Мотта5, поведение которых является результатом сильного локального кулоновского отталкивания между 3d-электронами, которое не смягчается ограниченным диапазоном кинетических энергий, доступных для узкой 3d-зоны. система. Одним из наиболее интересных электронных превращений в таких соединениях является нарушение локализации 3d-электрона, приводящее к фазовому переходу Мотта изолятор-металл (ФПМ), который обычно сопровождается коллапсом магнитных взаимодействий1,2. Mott IMT был предметом многочисленных исследований при высоком давлении, особенно железосодержащих оксидов (6 и ссылки в нем), с использованием традиционной и синхротронной мессбауэровской спектроскопии (МС) в сочетании с методами с алмазными наковальнями (DAC)7. Первоначальная концепция Мотта основана на относительной важности кинетических прыжков и кулоновского отталкивания 3d-электронов на месте. Однако, кроме того, было высказано предположение, что изменение расщепления кристаллического поля или уменьшение эффективной силы взаимодействия, вызванное кроссовером от высокого к низкому спину (HS-LS), может привести к переходу Мотта – Хаббарда8, 9,10,11,12. В результате переход Мотта сопровождается одновременным переходом изолятор-металл и локальным спиновым состоянием, что приводит к коллапсу объема решетки. В соединениях железа типичный диапазон давлений перехода HS-LS для иона Fe3+ в октаэдрическом окружении ~ 40–60 ГПа6,11,12,13 и, следовательно, выше этого давления материал обычно представляет собой металл или узкозонный полупроводник, превращаясь в металл при дальнейшем сжатии9,10,11,12. Тем не менее, недавние теоретические расчеты предполагают, что во многих случаях могут возникнуть более сложные сценарии, отличные от общепринятых моделей перехода HS-LS, что указывает на решающую важность корреляционных эффектов в понимании электронных/магнитных превращений под давлением14,15,16.

Борат железа FeBO3 — один из немногих материалов, прозрачных в широком диапазоне видимого света и обладающих спонтанной намагниченностью при комнатной температуре, что делает его привлекательным для применения в магнитооптических устройствах видимого или рентгеновского излучения17. Это скошенный антиферромагнетик с температурой Нееля TN ~ 348 К и слабым ферромагнетизмом18. Оптическая спектроскопия показывает, что FeBO3 является изолятором Мотта с большой энергетической щелью ~ 2,9 эВ (19 и ссылки там). Формально FeBO3 можно рассматривать как часть более общего семейства FeXO3 (например, FeFeO3, FeGaO3 и т. д.), при этом ион трехвалентного железа Fe3+ играет главную роль в определении электронных и магнитных свойств FeXO3. Недавние обширные исследования FeBO3 при высоком давлении показали, что, как и многие другие ферриты, в районе ~ 50 ГПа он претерпевает изоструктурный фазовый переход, подтверждающий значительное уменьшение объема решетки и совпадающий с резким магнитным коллапсом и изолятором Мотта. -переход в полупроводник19,20,21,22. Однако мы замечаем, что FeBO3 демонстрирует некоторые очень специфические особенности после подтвержденного перехода HS-LS при ~ 50 ГПа21,22. В частности, он демонстрирует явно упругое неметаллическое поведение при давлении выше 100 ГПа19. Это поведение отличается, например, от FeGaO3 и Fe2O3, которые демонстрируют классический переход Мотта с контролируемой шириной зоны при ~ 50 ГПа, характеризующийся полным коллапсом магнитных взаимодействий23, и сайт-селективный Моттовский IMT в аналогичном диапазоне давлений24,25, соответственно. В этом отношении FeBO3 и его поведение при высоких давлениях представляют особый интерес как возможный пример материала, документирующего различные механизмы электронных переходов.