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自旋世界(23)--庞磁电阻IV 精选

已有 7349 次阅读 2007-11-25 13:35 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

 

先说一句题外话。“自旋世界”系列更新实在太慢,有负GH老师和其他朋友的期望。一是因为鄂郎才尽,二是因为实在太忙。好在科学网上每天群贤毕至、老少咸聚、佳作迭出,不才在这方寸之地尽可以慢慢耕种,尽享闲时了。

 

庞磁电阻的介绍到本篇截止。前面的IIIIII已经将锰氧化物中多种有序态的共存与竞争及其对电子输运的影响在科普层次上大致描绘出来。本文就奉GH老师的谕旨来尝试回答磁电阻这一问题。

 

事实上,有了前文描绘的多重有序态共存与竞争图像,庞磁电阻的物理根源与磁性金属中磁电阻和GMR的来源就有了本质不同。这里一个最为重要的概念是所谓“电子相分离”,这是金属磁电阻体系所没有的。

 

锰氧化物中既然存在自旋有序相(铁磁FM、反铁磁AFM)、电荷有序相CO、轨道有序相OO、电子与晶格关联导致的极化子SP(可以想象成有效质量比电子大很多的带电准粒子)等有序态的共存,我们可以借用热力学的图像,将这些有序相“当成”化学势(如吉布斯自由能)相等、但是费米面附近电子浓度很不相同的热力学相。这些热力学相在锰氧化物中共存与竞争,从而形成千姿百态的多相共存与竞争的相图。我在以前的文章提到,在energy landscape中存在很多浅浅的山谷。对锰氧化物,这些山谷就是那些电子相稳定存在的地方。

 

提请看君注意,这里所谓的热力学相是电子相,它们具有相同的化学成分和基本相同的晶体结构,但是其电子结构则很不相同,从而表现出很不相同的导电特征。例如,FM相通常是金属,而COSP相基本上是绝缘的,OO相则可能是绝缘体也可能是比较糟糕的金属;还有一些FMOO相甚至是半金属:所有在其中可以闲逛的电子自旋都是同向平行排列的。妙得很!

 

好了,现在我们需要做的就是将这些电子相按照某种空间形态相互组合在一起,这完全可以类比于常见的合金材料,不妨称之为电子合金,呵呵。

 

对某种锰氧化物,如果给定温度和压力,我们得到一个基本的热力学电子“合金”。你对其加上一个外磁场,就像一般合金你对它施加一个“热处理”温度一样。容易理解,这个电子合金中FM金属相会变多,CO相或者SP相会变少;抑或FM相与CO相的空间形态发生重组,由原本的“星星之火”,变成“可以燎原”,即所谓的渗流。如果存在OO相的话,磁场对OO相多少的影响要看其自旋和轨道具体结构而定。

 

这样一来,“合金”的电阻自然会发生巨大变化,也就是磁电阻产生的原因,看来没有什么深奥的。

 

所有外加扰动,如场、场、场、应力场、电子(空穴)注入等等,只要能够破坏其中某些电子相的稳定性、提升另外一些相的稳定性,就会有对应的电阻变化效应。由此,我们又可以顺手牵羊观察到电致电阻、光致电阻、应变电阻之类。这些效应可正可负、可大可小,大的可以达到变化6个数量级,是为磁电阻、电电阻、光电阻、力电阻等等。自旋世界的都被锰氧化物占尽,只缺一个字被铜氧化物超导体给占了。

 

这些的原因一目了然。比如,一个原来几乎没有FM金属相基本全是CO相的体系,你加上一个大电场或者大磁场,CO就被完全融化了,得到的全是FM金属。

 

当然,看君决不会被这些所蒙蔽,因为产生这些的外加扰动必须很大很大,比如磁场要多少特斯拉、电场要多少千伏每厘米。我们虽然屡有见到“庞必”生辉,但却鲜在陋室民宅中发生。因此,锰氧化物基本上是一个物理的贵族阶层,它们的价值理念到目前为止老百姓还不买账。

 

再说一句题外话:锰氧化物中电子相尺度大概在纳米范围,少有微米尺度的。因此锰氧化物是典型的纳米非均匀体系(又纳米了)。不才认为,对锰氧化物研究的最大成就就是确认了这个电子相分离,或者说确认了特征尺度序的不均匀性。这种不均匀性应该是凝聚态物理的核心概念之一,在很多重要材料中都可以得到印证:高温超导体中的电子对不均匀性、铁电介电材料的电极化不均匀性、磁性材料中的自旋序不均匀性、玻璃体系中键合与交互作用不均匀性、。。。。

 

因此,不才斗胆放一炮:特征尺度上特征序参量的不均匀性是现代凝聚态物理的核心价值(之一)

 

炮放完了,下面就等着被骂啦。

 

 



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