Антиферромагнитная металлическая фаза в легированном электронами редкоземельном никелате
Чтобы побудить материал сохранить свою антиферромагнитную металлическую фазу, не вызывая его перехода в изолятор, было использовано легирование электронами, метод изменения количества электронов в материалах. По сути, была выращена серию образцов NdNiO3, в которые добавили различное количество атомов церия вместо атомов неодима, чтобы добавить больше электронов в систему.
(а) Электронная и магнитная фазовая диаграмма, извлеченная из этого исследования, для пленок, синтезированных на подложках NdGaO3. АСМ и ПМ относятся к антиферромагнетикам и парамагнетикам соответственно. Заполненные и пустые символы обозначают температуры, извлеченные для циклов нагревания и охлаждения, соответственно, из измерений электронного транспорта (◇), RXS (∘) и ARPES (□). На вставках показаны поверхности Ферми, измеренные методом ARPES для металлической фазы АСМ и металлической фазы ПМ образца с x = 0,03.
(b) Величина PHE в зависимости от угла поля охлаждения в плоскости, взятая при 1,8 K для I // [100] (красный) и I // [110] (синий). Все данные на этом рисунке взяты для образцов с x = 0,02–0,03. Светлые квадратные точки сняты при включенном поле (9 Тл), а темные круглые точки сняты после снятия поля (0 Тл). Пунктирные линии служат ориентирами для глаз. На рисунке показан образец геометрии для I // [100].
Кредит:Физика природы (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01907-2
Исследователи из Гарвардского университета, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Аризонского государственного университета и других институтов в Соединенных Штатах недавно обнаружили антиферромагнитную металлическую фазу в легированном электронами NdNiO 3 , материале, известном как неколлинеарный антиферромагнетик (т.е. начало антиферромагнитного упорядочения, сопровождающееся переходом в диэлектрическое состояние).
«Предыдущие работы по никелатам редкоземельных элементов ( R NiO 3 ) показали, что они содержат довольно экзотическую фазу магнетизма, известную как «неколлинеарный антиферромагнетик», — Ци Сонг, Спенсер Дойл, Лука Морескини и Джулия А. Манди, проводившие исследование, рассказали Phys.org.
«Этот тип магнита имеет уникальные потенциальные применения в области спинтроники, однако известно, что никелаты редкоземельных элементов спонтанно превращаются из металлических в изолирующие точно при той же температуре, при которой включается эта неколлинеарная фаза антиферромагнетика. Мы хотели посмотреть, сможем ли мы каким-то образом изменить один из этих материалов таким образом, что он оставался металлическим, но все еще имел эту интересную магнитную фазу».
Обеспечение того, чтобы никелаты редкоземельных элементов оставались металлическими при низких температурах, когда появляется их антиферромагнитная фаза, в конечном итоге позволило бы использовать их для разработки устройств спинтроники. В своих экспериментах Сонг, Дойл, Морескини, Манди и их коллеги пытались добиться этого, используя редкоземельный никелат NdNiO 3 .
Чтобы побудить материал сохранить свою антиферромагнитную металлическую фазу, не вызывая его перехода в изолятор, они использовали легирование электронами, метод изменения количества электронов в материалах. По сути, они вырастили серию образцов NdNiO 3 , в которые они добавили различное количество атомов церия вместо атомов неодима, чтобы добавить больше электронов в систему.
«После того, как у нас были эти образцы, мы собрали измерения электрического транспорта, где мы пропустили небольшой ток через каждый образец и измерили сопротивление», — сказал Дойл. «Выполнив это измерение, когда мы изменили температуру образца, мы смогли сделать вывод, был ли образец металлическим или изолирующим в магнитной фазе».
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01907-2
В конечном счете, чтобы продемонстрировать потенциал образца антиферромагнитного металла, легированного электронами, который они использовали для разработки устройств спинтроники, команда также провела дополнительное измерение, известное как «плоский эффект Холла с нулевым полем». Проще говоря, это измерение можно использовать для проверки того, может ли материал «помнить», было ли к нему приложено магнитное поле, даже после того, как это поле было выключено.
Эти тесты дали очень многообещающие результаты, так как легированные электронами образцы, произведенные Дойлом и его коллегами, продемонстрировали этот «эффект памяти». Примечательно, что эффект, наблюдаемый в этих материалах, был очень сильным по сравнению с эффектом, обычно наблюдаемым в антиферромагнетиках.
«Мы создали новую фазу в семействе никелатов, которой раньше не было. Ключевое свойство этих материалов заключается в том, что они имеют переход металл-диэлектрик, который, как это часто бывает, идет вместе с магнитным», — пояснил Морескини. . «Выше перехода у вас слабый или отсутствующий магнитный порядок, а ниже у вас есть, в данном случае антиферромагнетизм. В других предыдущих исследованиях этот переход подавлялся в некоторых условиях, но впервые нам удалось их развязать. : магнитный переход все еще существует, но переход металл-изолятор исчез».
Стратегия, основанная на электронном легировании, предложенная этой группой исследователей, позволила им выявить фазу антиферромагнитного металла в никелате редкоземельных элементов. Ниже температуры, при которой материал переходит в антиферромагнитную фазу, он все еще остается металлом, даже если металл с меньшими характеристиками. Таким образом, в целом их образцы, легированные электронами, представляют собой металлы с антиферромагнитным порядком, фазой, которая ранее не наблюдалась в никелатах.
В будущем недавнее исследование Сонга, Дойла, Морескини, Манди и их коллег может открыть новые и захватывающие возможности для разработки устройств спинтроники на основе никелатов редкоземельных элементов. В своей следующей работе команда планирует изучить стратегии, которые позволили бы им еще больше повысить температуру, при которой происходит переход металл-металл этих редкоземельных никелатов.
«Конечной целью, конечно же, является довести его до комнатной температуры, потому что именно при такой температуре вы хотите, чтобы ваши устройства работали. Честно говоря, на данный момент до никелатов еще далеко, но в более широкой перспективе то, что мы узнали, мы надеемся, что эта новая фаза может направить разработку новых фаз в другие семейства оксидов или других материалов в целом, где эти переходы происходят немного ближе к комнатной температуре, и, немного изменив электронные корреляции, вы можете дать им последний толчок, чтобы иметь их при комнатной температуре », — говорят исследователи.
