庞磁电阻效应和强关联电子

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1、庞磁电阻效应和强关联电子(Colossalmagnetoresistanceeffectandstronglycorrelatedelectrons)赖武彦中国科学院物理研究所2006年1目录第一部分较早的工作1，能带论的成功；金属性和绝缘性的解释2，能带论的困难；Mott绝缘体，Wigner电子晶体3，重新研究反铁磁性4，庞磁电阻（CMR）的发现5，双交换模型6，Jahn－Teller效应第二部分近年的进展7，电荷、自旋和轨道有序8，相分离9，电场效应；低维性质2背景：能带论框架下的困惑物理学重大事件－－高温超导发现20周年19

2、86年，对反铁磁绝缘体掺杂后，得到高温超导体。1987年1月，Anderson重提Mott强关联效应。1987年，获奖。1987年－强关联效应的广泛深入研究。能带论框架下的困惑早（1936－）已存在1995年－，重提CMR（另一个例子）。强关联效应研究的一个切入点？3对CMR的兴趣何在？强关联电子理论超越“传统的能带理论”课题：Mott绝缘体、Wigner电子晶体、高温超导、庞磁电阻、重费米子、巡游电子等注意，各种磁电阻（MR）现象受到关注，但物理机制不同：AMR,GMR,TMR－－－能带论框架内“自旋极化电子散射过程”CMR－－

3、－非能带理论的“强关联电子跃迁过程”4第一部分较早的工作1，能带论的成功1920年代，量子力学成功应用于固体――能带论（Bethe1928;Sommerfeld1928;Bloch1929)量子力学怎样解释金属性和绝缘性？位阱中的电子气模型→能带中的Bloch函数。（电子间相互作用的平均场处理）能带论成功范例：半导体1930年代半导体能带论（Wilson1931；Fowler1933）1947年发明晶体管（W.Shockley，W.Brattain，J.Bardeen）1959年固体电路、集成电路1962年金属－氧化物－半导体场效

4、应晶体管(MOSFET）52，能带论的困难氧化钴CoO为什么不是金属？Co原子外壳层电子组态：3d74s2O原子外壳层电子组态：2p42s2NaCl结晶结构，每个单胞中，外壳层电子数目9＋6＝15为奇数。为什么不是金属？答案：必需仔细计入电子之间Coulomb相互作用。（Peierls1936;Mott1936）产生Mott绝缘体概念6关于电子之间Coulomb相互作用的讨论电子晶体的预言（Wigner1934，1938）实验证实（1979）一个基本的强关联电子系统电子动量电子密度电子动能电子库仑能两者之比为高密度情形很小，<<电

5、子气，Fermi统计低密度情形很大，>>Wigner晶体，强关联73,重新研究反铁磁性高温超导揭开物理学新的一页（J.D.Bednorz,K.A.Muller1986）掺杂反铁磁氧化物→高温超导体NdCeCuO（电子类）YBaCuO（空穴类）8历史上，另一个例子！掺杂反铁磁氧化物绝缘体→铁磁金属导体早期实验（1950s）Jonker和VanSante发现氧化物当x＝0和1，为反铁磁性、绝缘体当0。2

6、9Mn3＋，3d4Ti3＋，3d1“单”电子态1个空穴半d能级1个空穴1个电子磁性AFMAFMAFM掺杂化合物HighTcCMR重电子磁性非磁铁磁非磁电性超导金属重电子金属电子有序电子条纹相电荷、轨道、自旋序电荷序10Ti、Mn、Cu电子态DOS示意图11本讲以下的议题1，为什么是反铁磁Mott绝缘体？回忆Wigner的讨论：动能与位能的比较（电荷关联）2，为什么掺杂反铁磁体是金属？Zener的双交换模型（电荷、自旋关联）3，关联和有序（电荷、自旋、轨道）12为什么是反铁磁性绝缘体？（1）Mn原子的5个状态两类轨道状态13为什么

7、是反铁磁性绝缘体？（2）14为什么是反铁磁性绝缘体？（3)eg电子的能量较高t2g电子的能量较低15为什么是反铁磁性绝缘体？（4）Mn3+的自旋状态4个d－电子自旋平行，电子强关联1×巡游电子,S=1/23×局域电子,S=3/216为什么是反铁磁性绝缘体？（5）一，自旋位形？每个Mn格点上，4个d电子自旋平行相邻Mn格点间，氧的超交换作用，自旋相互反平行这是，反铁磁性排列二，电荷分布？每个Mn格点上一个eg电子有可能巡游。但是，跃迁能量t<<库仑能量U，无法“跳跃”“巡游”这是，绝缘体电子之间的库仑作用是关键！174,CMR效应C

8、MR的再发现（1）1990s大磁电阻相变：铁磁、金属―顺磁、绝缘体18CMR的再发现（2）CMR=99.99%Mott转变转变19CMR的再发现（3）压力效应（上图）类似磁场效应（下图）:提高Tc降低电阻率。20掺杂材料的电子结构（1）掺杂后：形成