CMR與電子關(guān)聯(lián)課件

1、Ch5 CMR和電子關(guān)聯(lián)（1） 2學時(物理所課題組：磁學、超導、光學)第1頁，共32頁。引言 問題的意義第一部分 較早的工作 對凝聚態(tài)物理的挑戰(zhàn) 能帶論的困難； 反鐵磁性和ABO3材料的普遍意義 龐磁電阻（CMR）的發(fā)現(xiàn)；雙交換模型 對絕緣性和金屬性的不同理解第二部分 近年的進展 關(guān)聯(lián)導致電荷、自旋和軌道有序 新的凝聚狀態(tài)：相共存、相分離 2維“關(guān)聯(lián)”電子第2頁，共32頁。引言 問題的意義什么是CMR效應(yīng)？和高溫超導體的關(guān)系？超導性是中心問題之一什么是電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)CMR和其他重要物理問題第3頁，共32頁。什么是CMR（龐磁電阻）效應(yīng)？ 摻雜反鐵磁氧化物絕緣體 鐵磁金屬導體早期實驗（1950s

2、）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 77K1994 Chu C W等第6頁，共32頁。物理機制？ 實驗： 存在Cooper配對的證據(jù)， 但是，配對的“耦合作用” 不同于低溫超導的“電子聲子”作用 共識： 電子系統(tǒng)的狀態(tài)？是關(guān)鍵。 必須考慮電子系統(tǒng)中的“強關(guān)聯(lián)”效應(yīng)第7頁，共32頁。3，什么是電子“強關(guān)聯(lián)”效應(yīng)？ 均勻電子氣的平均場（單電子近似）近似， 即HartreeFock理論 （電子能帶論的基礎(chǔ)）Wigner and Seitz(1933,1934)提出“關(guān)聯(lián)”的概念 beyond Hartree-Fock 換言之，“關(guān)聯(lián)”彌補

3、“平均場近似”帶來的“誤差”。 必需考慮多體效應(yīng) 第8頁，共32頁。小結(jié)：為什么對CMR有興趣？ 1，都是從“反鐵磁絕緣氧化物”摻雜得來 摻雜反鐵磁銅氧化物 高溫超導體。 摻雜反鐵磁錳氧化物 龐磁電阻體。2，都具有“電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)” Cooper配對的來源（高溫超導體） 絕緣金屬轉(zhuǎn)變的機制（龐磁電阻體）3，新的共性很多這就是物理學 Mott絕緣體、 Wigner 電子晶體、高溫超導、 龐磁電阻、重費米子、巡游電子等4，CMR可能是切入點？也是物理學的熱點！ 強關(guān)聯(lián)電子理論 將超越“傳統(tǒng)的能帶理論” 第9頁，共32頁。第10頁，共32頁。第一部分 較早的工作 5，能帶論的成功1920年代，量子力學

4、成功應(yīng)用于固體能帶論量子力學怎樣解釋金屬性和絕緣性？能帶論成功范例：半導體1930年代 半導體能帶論（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 金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET） 第11頁，共32頁。6，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

5、用。 （Peierls 1936 ; Mott 1936）產(chǎn)生Mott絕緣體概念第12頁，共32頁。7,關(guān)于電子關(guān)聯(lián)早期的討論 電子晶體的預言（ 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)第13頁，共32頁。8, 三種反鐵磁氧化物的“摻雜”原型化合物La2CuO4LaMnO3LaTiO3電價和軌道Cu2， 3d9Mn3， 3d4Ti3，3d1“單”電子態(tài)1個空穴半d能級1個空穴1個電子磁性AFMAFMAFM摻雜化合物High TcCMR重電子磁性非磁鐵磁非磁電

6、性超導金屬重電子金屬電子有序電子條紋相電荷、軌道、自旋序電荷序第14頁，共32頁。Ti、Mn、Cu電子態(tài)DOS示意圖第15頁，共32頁。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）（在第二部分）第16頁，共32頁。9,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) 第17頁，共32頁。為什么 是反鐵磁性絕緣體？（2） 第18頁，共32頁。 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

7、低第19頁，共32頁。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=1/23局域電子, S=3/2第20頁，共32頁。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” 這就是，絕緣體電子之間的庫侖作用是關(guān)鍵！第21頁，共32頁。10,摻雜材料 的電子結(jié)構(gòu)摻雜后：形成 Mn3+/ Mn4+ 混合價狀態(tài)電荷摻雜成為導體（Jonker &

8、 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)3Mn3+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。 這就是導體。第22頁，共32頁。11,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用簡并微擾論計算第23頁，共32頁。*雙交換模型（2）

9、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。 反平行增量最大第24頁，共32頁。雙交換模型（3） 計算結(jié)果：（推導另講）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。第25

10、頁，共32頁。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”*基于雙交換模型解釋其他實驗（略）第26頁，共32頁。雙交換模型(5)局限性：定量偏差1，計算的電阻率 遠低于實驗值2，計算的居里點 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)第27頁，共32頁。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，晶格畸變導致 彈性能增加b2 第28頁，共32頁。JahnTeller 效應(yīng)（3） 為甚麼晶格畸變會使“載流