客观日本

与“魔鬼”打交道的电子——揭开磁性材料40年来的谜团

2020年06月16日 电子电气

以东京大学物性研究所的黑田健太助教、新井阳介研究生和近藤猛副教授为中心组成的研究团队,在该研究所的铃木博之高级学术专家和德永将史副教授,以及日本原子力研究开发机构的芳贺芳范研究主任和东京大学研究生院工学系研究科的有田亮太郎教授等人的协助下,查清了在铈锑出现的“魔鬼阶梯”复杂相变现象中,伴随强相关态而出现的传导电子的特殊轨迹。

众所周知,在数量庞大的磁性材料中,铈锑是磁性最复杂的物质之一。铈锑与普通的磁性材料大不相同,其晶体中的自旋排列是普通磁性材料的20倍,显示出超乎寻常的长周期性,而且微小的温差就会导致排列方式不断变化。这种现象因其复杂性和怪异性而被称为“魔鬼阶梯”,自1977年发现以来,距今已经过去40多年,但其发生机理仍然是个谜。

研究团队通过用超高分辨率激光电子能谱测量在“魔鬼阶梯”中变化的自旋排列和传导电子,调查了诱发“魔鬼阶梯”现象的机理。

调查发现,本来应该自由移动的传导电子通过形成伪间隙态获得能量增益,代替了在与局部自旋的强相互作用下陷入的束缚态,这是引起“魔鬼阶梯”现象的原因所在。本次研究明确的电子与自旋的强相关还能通过自旋排列控制传导电子,从而发挥磁存储器等的工作原理的作用,因此还有望应用于自旋电子学磁性材料的设计。

① 研究背景

正如水会在低温下由液体变成固体,或者在高温下变成气体一样,自然界始终会根据温度条件给出一种稳定的状态,同时还会大幅改变其形状和性质。

这些现象称为相变。固态晶体也一样,经常会发生改变晶体结构或磁性的相变。支撑我们生活的磁铁等磁性材料也会发生磁相变,也即出现晶体内原本不同取向的自旋朝着同一个方向排列。另外,排列的状态对构成的元素和晶体结构等物质的性质比较敏感,因此表现出来的物理特性也会随着物质而变化。

在数量庞大的磁性材料中,铈锑因表现出最为复杂的磁相变而闻名。与普通磁性材料一样,铈锑的晶体中也有自旋排列,但会发生连续相变,在仅有10开尔文的小温度范围内,自旋的长周期排列就会变化7次。另外,在这种特殊的相变现象下选择性地形成的自旋排列会变成普通磁性材料无法实现的长周期(20倍以上的周期)。

这种异常的自旋排列相变现象因其复杂性而被称为“魔鬼阶梯”,是1977年观测到的。此前的研究调查了自旋的排列,但引起“魔鬼阶梯”的机理40多年来始终是个谜。

② 研究内容

此次,研究团队利用超高分辨率激光电子能谱和偏振光显微镜,以超高精度调查了铈锑的“魔鬼阶梯”形成的自旋排列,以及传导电子的行为。在铈锑中,排列的自旋方向不同的磁畴在晶体内散乱分布,此次研究实施了对其进行空间挑选的显微光谱测量(图 1)。

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图1:(a)利用激光电子能谱观测到的顺磁相的电子结构。(b)(c)利用光学显微镜观测到的磁畴的空间分布,以及利用选择磁畴的空间分辨激光电子能谱观测到的电子结构。与顺磁相的结果相比,可以看出电子结构大幅改变。另外,在磁畴中电子结构大不相同,(b)中观测到了伪间隙。

由此发现,对应于负责导电的电子与负责磁性的局部自旋强烈相关的现象,传导电子的电子结构会因排列的自旋方向而大幅改变。另外还发现,通过形成破坏了自由移动的传导电子运动态的伪间隙态,来取代受与局部自旋的强相关影响陷入的束缚态,可获得能量增益,使长周期的自旋排列稳定。此外,通过根据超精密温度控制逐一追踪长周期自旋排列随温度不断变化的“魔鬼阶梯”的相变现象,并详细进行测量,发现“伪间隙态”会随着自旋排列的相变而变化(图2)。

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图2:(a)与“魔鬼阶梯”相对应的长周期自旋排列的变化。(b)(c)利用选择磁畴的激光电子能谱观测的随“魔鬼阶梯”而发生的电子结构变化。除电子结构外,(c)还观测了伪间隙的温度变化。这个结果表明,产生“魔鬼阶梯”的长周期自旋排列源自传导电子的伪间隙态。

引起“魔鬼阶梯”的长周期自旋排列机制40多年来始终是个谜团,此次发现,传导电子形成的“伪间隙态”取代了在与局部自旋的强相互作用下陷入的束缚态,这是出现“魔鬼阶梯”的原因所在。

③ 社会意义及未来展望等

此次的研究解决了40多年来始终是个谜的固体物理问题,可以说是一项非常重要的结果。另外,本次研究作为“魔鬼阶梯”的形态新发现的磁与传导电子的相关效应,通过在压力和磁场等条件下控制长周期自旋排列,可以大幅改变电传输特性。利用这种机制,有望作为具备新的磁传输特性的磁性材料,推进自旋电子学的实用化。

论文信息
题目:Devil’s staircase transition of the electronic structures in CeSb
期刊:《Nature Communications》
DOI:10.1038/s41467-020-16707-6

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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