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，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

* 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）

3LaMnO

* 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）

3LaMnO

2222 3,3 ryrx

* 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 ＋

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，

35.05.0 MnOSrLa

电荷、自旋、轨道有序

35.05.0 MnOSrLa

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）

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。

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。

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

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 ，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

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。

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。

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。

回忆：半导体界面 ,电场（门电压）

改变载流子浓度、维度和类型

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

困难点――― ABO3 MIS 在较高浓度。

而，半导体 MIS 在较低浓度。

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

谢谢