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自旋世界(22)--庞磁电阻III 精选

已有 6773 次阅读 2007-11-11 12:44 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

“庞磁电阻II”一文说到自旋与晶格(JT效应)一台戏导致MIT局面,这已经算是天下一大胜景,引来凝聚态物理界大批粉丝捧场。虽然前人对过渡金属氧化物中存在的MIT研究多年,但是出现大批粉丝招摇过市那应该是在庞磁电阻出现之后。这也是科学研究的“马太效应”,因为MIT何德何能?没有CMR这一超男显圣,就没有MIT的巨大粉丝市场。

 

庞磁电阻的精彩之处在于远不是MIT一家独秀,还有其他角色粉墨登场。群雄争霸、巾帼不让须眉这些场景在其中都可以找到对应,真的可以说是“你扮红花我作绿,你方唱罢我登场”。

 

其中一位便是电子轨道。过渡金属离子周围的电子云就不像简单离子那样各向同性的,其d层电子轨道形态各异,堪称“五朵金花(轨道)”,典型轨道风姿如下图所示。其中所谓的eg姓电子轨道佩饰上部两种金花,而t2g姓电子则装扮如下部三种金花。这些金花具有美妙的空间对称性,并且也是非常“和谐”的。

 

 

 

 

 

对于锰氧化物,t2g的所有轨道都有电子占据,也就是说这些电子对于庞磁电阻没有直接的影响。她们相当于舞台背后的那些不露“峥嵘”的幕后人员。在舞台上展现千姿百态给我们欣赏得主要是上部的两朵金花。注意到一个有趣的“人间”不平事:Mn3+离子和Mn4+离子两兄弟的际遇颇为不同,Mn3+离子养育了一个eg电子,而Mn4+终生未育,所以只有Mn3+离子家才有两朵金花。

 

又是JT效应来导演Mn3+离子家这两朵金花在舞台上的舞姿和造型。这里值得一提的是,JT效应用人倒也颇为睿智,他的原则是不让这两朵金花同等竞争,以免内讧。在一种体系中JT让一朵金花唱主角;到另外一种体系,主角就可能变成另一朵金花。这在物理上叫退“简并(degenerate)”,因此对于给定体系,每个eg电子(也就是每个Mn3+离子)通常只选择一位金花出任主角。由于这种退简并的串联作用,加上电子之间本身的库仑排斥效应,舞台上一系列金花们按照一定的空间规则排列,形成错落有致的轨道结构,这就是所谓的轨道有序态。例如,La0.5Sr1.5MnO3ab面内的金花形态就是这样。

 

 

 

 

这种轨道序在不同锰氧化物中可以很不相同,从而导致丰富多彩的轨道组态,例如轨道波和基于轨道波的元激发。通过外部干扰改变轨道序就可以引起元激发的响应和轨道序的转变,构成了现在称之为轨道物理学的研究内容。(轨道物理学也许更多地为量子化学所青睐,轨道物理是物理学家从化学家那里借来的)

 

显而易见,这些漂亮的轨道有序构型对于自旋排列和电荷排列有着巨大的影响。

 

先来看电荷。电荷的调控本来是库仑交互作用的领地,比如著名的Wagner点阵即是如此。本来在锰氧化物中Mn3+Mn4+离子可以按照其自身库仑排斥而排兵布阵,但是,因为JT导致轨道序,轨道之间的交互作用与库仑排斥作用相互竞争,最稳定的结构应该是按照Wagner晶格那样出现Mn3+Mn4+离子在空间交替排列。注意这是Mn3+Mn4+交替排列,因此形成一种如上图所示特殊的电荷排列,而不是我们可预期的Mn3+Mn4+各自组成类似Wagner点阵那样的电荷序。这是轨道序与电荷序之间的耦合。

 

再来看自旋。由于轨道序和电荷序的存在,自旋之间的交互作用就如“自旋世界”系列所阐述的那样会促使自旋呈现不同的有序排布。很容易理解,轨道序和电荷序存在肯定阻碍电子到处乱跑,即导致明显的电子局域化,也就是绝缘化。这种局域化是与自旋平行排列不相容的,所以电荷轨道序“总是”对应于自旋的反平行排列,即反铁磁序。到这里大家就明白了轨道序、电荷序与自旋序耦合在一起了。

 

所有这些角色凑在一块儿弄出来的动静就不是那么平常了。这也是为什么锰氧化物就像万金油一般什么性质都有那么一点的原因。对此我在“自旋世界”系列前面的文章中都有所涉及。什么金属、半导体、绝缘体、铁电体、磁体、光学材料、催化剂、热电体、如此等等,不一而足。而这么多才多艺的另一面是无一门精,说起来都头头是道、用起来却毛毛糙糙。这有点儿像我国目前的行业状况:从天上飞的到地上跑了我们都有,但是都不是极品,呵呵。

 

我们再放一张图来说明这一点。下图所示即是Nd1-xSrxMnO3体系中不同成分对应的轨道、电荷和自旋序。他们纵横交错,关联在一起,从而导致完全不同的输运性质:与构型C对应的是绝缘体I,与构型F对应的是金属M,与构型A对应的是一种中间混合状态。

 

 

 

 

 

 

 

实话说,庞磁电阻体系到了这个层次,不才已经没有能力在方寸之地用科普语言将其中的丰富多彩阐述清楚。但是我们看到,在这方寸之地多个角色交织耦合在一起,改变其中任意一个角色的造型都会牵一发而动全身,所以庞磁电阻才会有如此丰富的物理。我们稍微梳理一下,就发现有很多新奇的现象和效应:

 

1,每一个角色都有其对应的基本元激发。例如轨道有序会激发轨道波,电荷序会激发电荷(密度)波,自旋序对应自旋(密度)波。这些序本身的激发对外部的电、磁、光场都会产生响应,从而“创造”出众多的新效应于锰氧化物一身。看君说说,锰氧化物不得各路粉丝千宠于一身才怪呢。

2,每一个角色都与另外的角色交织耦合,调控一个角色的造型就会引发另一个角色造型的改变,进而形成新的状态。这更是粉丝们钟爱的时髦:现代粉丝们就是要将千朝万代的时髦毫无规则和节制地拼凑到一块,是吧?!别说那些8090后们,诸位的喜怒哀乐其实与他们并无二致。^_^

3,从能量空间看,这些有序角色之间的交织耦合会形成很多“山谷”。对应每一个山谷都是一个新的状态,对应于可能是完全不同的景致。譬如,这里可能是金秋十月、枫红桂香,而那里可能正是春意涌动、桃李争艳。当这边白雪皑皑、风声鹤唳,那边也许正是映日荷花、七月流火。^_^就是人间百态、山水四季大约也无法与其争奇斗艳了。

4,最诱人的是这些山谷都不深,从一处翻越山峰到另一处可能只是抬脚之劳,轻而易举。因此,我们尽可以“一步并作千步走,满眼都是春秋声”。

 

与人间万象比较,我们作为或尔虞我诈、或和谐共赢、或暴风骤雨、或死水微澜的社会动力学之一分子,可能根本就无法控制自己是留名青史、是遗臭万年、抑或是来去无踪,但却能够用我们这无缚鸡之力的双手去轻易地调控这万物弥新、锦华寒凝的庞磁电阻世界。这可能是科学人的乐趣和独到之处吧。

 

 

(本文插图取自Science 288, 462 (2000)一文)

 

 

 

 
 
 

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