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新しい実験で磁性が金属を絶縁体に押し上げる: 研究は新しいスピントロニクスデバイスを調べるための新しいツールを提供する

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マテリアル内の XNUMX つのドメイン (青とオレンジ) をドメイン壁 (白い部分) で分割した図。 磁気秩序は整理された矢印 (電子スピン) で示され、色は XNUMX つの異なるドメイン (ただし、同じ磁気秩序) を表します。 ここに描かれている材料では、磁壁は導電性であり、磁区は絶縁性です。 クレジット
イェジュン・ファン

要約:
すべての金属と同様、銀、銅、金も導体です。 電子がそれらの間を流れ、熱と電気を運びます。 金はどのような条件下でも良好な導体ですが、一部の材料は、温度が十分に高い場合にのみ金属導体のように動作する性質があります。 低温では、それらは絶縁体のように機能し、電気をうまく運ぶ働きをしません。 言い換えれば、これらの変わった素材は、温度が下がると、金の塊のように振る舞うものから、木片のように振る舞うようになります。 物理学者は、このいわゆる金属絶縁体転移を説明する理論を開発しましたが、転移の背後にあるメカニズムは必ずしも明確ではありません。

 

新しい実験で磁性が金属を絶縁体に押し上げる: 研究は新しいスピントロニクスデバイスを調べるための新しいツールを提供する

パサデナ。 CA | 投稿日: 4 年 2021 月 XNUMX 日

「場合によっては、材料が金属か絶縁体かを予測するのは簡単ではありません」と、カリフォルニア工科大学大学院大学のカリフォルニア工科大学客員准教授のイェジュン・フェン氏は説明します。 「金属は何があっても常に良導体ですが、他のいわゆる見かけの金属は絶縁体ですが、その理由はよく理解されていません。」 Feng は少なくとも XNUMX 年間、この問題に頭を悩ませてきました。 テネシー大学の共同研究者である David Mandrus など、彼のチームの他のメンバーは、この問題について XNUMX 年以上考えてきました。

今回、Nature Communications に掲載された Feng らの新しい研究は、物理学者 John Slater が 70 年前に提案した金属絶縁体転移理論のこれまでで最もクリーンな実験的証明を提供します。 その理論によると、物質中の電子のいわゆる「スピン」が規則正しく組織されている場合に生じる磁気は、金属絶縁体転移のみを駆動することができます。 他の以前の実験では、材料の格子構造の変化または電荷に基づく電子相互作用が原因であると考えられてきました。

「これは1951年に提唱された理論に遡る問題ですが、これまで、実際にスピンとスピンの相互作用を駆動力として示す実験系を見つけることは、交絡因子のために非常に困難でした」と共著者は説明します。カリフォルニア工科大学の物理学教授、トーマス・ローゼンバウムは、研究所の所長であり、ソニアとウィリアム・ダビドウ大統領の議長でもあります。

「スレーターは、温度が下がると、秩序だった磁気状態が材料の中を電子が流れるのを妨げると提案しました」とローゼンバウムは説明します。 「彼の考えは理論的には正しいですが、大多数の物質では、電子が互いに電子的に相互作用する方法は、磁気的相互作用よりもはるかに強い影響を与えることが判明しました。そのため、スレーターのメカニズムを証明する作業が困難になりました。」

この研究は、さまざまな材料がどのように振る舞うかについての基本的な質問に答えるのに役立ち、たとえばスピントロニクスの分野などの技術にも応用できる可能性があります。この分野では、通常の電子電荷の代わりに、電子のスピンが電気デバイスの基礎を形成します。今。 「金属と絶縁体に関する基本的な質問は、来たる技術革命に関連しています」と Feng 氏は言います。

隣人同士の交流

通常、何かが金属などの良導体である場合、電子はほとんど妨げられることなく動き回ることができます。 逆に、絶縁体では電子が詰まって自由に移動できません。 状況は人々のコミュニティに匹敵すると、フェンは説明します。 物質をコミュニティ、電子を世帯のメンバーと考えると、「絶縁体は、不快感を与えるため、隣人に訪問されたくない人々がいるコミュニティです。」 しかし、導電性金属は、「隣人が自由に頻繁にお互いを訪問する大学の寮のような緊密なコミュニティ」を表しています、と彼は言います。

同様に、フェンはこの比喩を使用して、温度が下がると金属が絶縁体になると何が起こるかを説明します。 「人々、または電子が家にいて、外出したり交流したりしないという点で、冬のようなものです。」

1940 年代、物理学者のサー ネヴィル フランシス モットは、一部の金属が絶縁体になる方法を発見しました。 1977 年にノーベル物理学賞を受賞した彼の理論は、「何らかの都合のよい方法で原子を互いに分離することで電子密度が低下したときに、特定の金属が絶縁体になる可能性がある」とノーベル賞のプレス リリースに記載されています。 この場合、電子間の反発は遷移の背後にあります。

1951 年に、スレーターはスピン-スピン相互作用に基づいた代替メカニズムを提案しましたが、モットによって提案されたものを含む金属絶縁体転移の他のプロセスがスレーターメカニズムを押しつぶして困難にする可能性があるため、このアイデアは実験的に証明するのが困難でした。隔離する。

リアルマテリアルの挑戦

新しい研究では、研究者たちは、パイロクロア酸化物または Cd1974Os2O2 と呼ばれる 7 年以来研究されてきた化合物を使用して、スレーターのメカニズムを実験的に実証することができました。 この化合物は、他の金属絶縁体転移メカニズムの影響を受けません。 ただし、この材料の中で、スレーターのメカニズムは、予期しない実験的な課題、つまり、材料をセクションに分割する「磁壁」の存在によって覆い隠されています。

「磁壁は、コミュニティ間の高速道路や大きな道路のようなものです」と Feng 氏は言います。 パイロクロア酸化物では、材料の大部分が絶縁体であるにもかかわらず、磁壁は導電性です。 磁壁は実験的な挑戦として始まりましたが、チームがスレーターのメカニズムを証明するための新しい測定手順と技術の開発に不可欠であることが判明しました。

「スレーター金属絶縁体転移理論を証明するためのこれまでの努力は、磁壁が磁気駆動効果を隠していたという事実を説明していませんでした」と、ジョンズ・ホプキンス大学の共著者である Yishu Wang (PhD '18) は述べています。カリフォルニア工科大学での卒業以来、継続的にこの研究に取り組んでいます。 「大部分の絶縁材料から磁壁を分離することで、スレーターのメカニズムをより完全に理解することができました。」 Wang は以前、MIT の Caltech 客員教授である Patrick Lee と協力して、材料中の電子が磁場の方向の変化にどのように、またどのように応答するかを説明する対称性の議論を使用して、導電性磁壁の基本的な理解を深めました。

「基本的な対称性の議論を通じて、磁性材料の電気伝導度測定がどのように行われるかについての従来の仮定に挑戦することにより、私たちはスピントロニクスデバイスを調査するための新しいツールを開発しました。

「磁壁の影響を区別するための方法論を開発しました。そうして初めて、スレーターのメカニズムを明らかにすることができました」と Feng 氏は言います。 「原石からダイヤモンドを発見するようなものです。」

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「スピン相関による金属絶縁体転移の継続」と題する論文は、沖縄科学技術大学院大学の資金提供を受け、日本政府の内閣府からの助成金を受けて作成されました。 国立科学財団; 空軍科学研究室; と米国エネルギー省。 他の著者には、カリフォルニア工科大学のダニエル M. シルビッチと沖縄科学技術大学院大学のスコット E. クーパーが含まれます。 Mandrus は、オークリッジ国立研究所にも所属しています。

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詳細については、クリックしてください。 こちらをご覧ください。

コンタクト:
ホイットニー・クラビン
626-390-9601

@カリフォルニア工科大学

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