Колоссальное магнитосопротивление - Colossal magnetoresistance

Колоссальное магнитосопротивление (CMR) является свойством некоторых материалов, в основном марганец -основан перовскит оксиды, что позволяет им кардинально изменить электрическое сопротивление в присутствии магнитное поле. В магнитосопротивление обычных материалов позволяет изменять сопротивление до 5%, но материалы с CMR могут демонстрировать изменения сопротивления на несколько порядков.[1][2]

Эта технология может найти применение в дисковые головки чтения и записи, что позволяет увеличить привод жесткого диска плотность данных. Но пока это не привело к практическим применениям, поскольку требует низких температур и большого размера оборудования.[3][4]

История

Впервые обнаруженный в перовскитовых манганитах смешанной валентности в 1950-х годах Г. Х. Йонкером и Дж. Х. ван Сантеном,[5] первое теоретическое описание с точки зрения механизм двойного обмена был дан рано. В этой модели спиновая ориентация соседних Mn-моментов связана с кинетическим обменом eграмм-электроны. Следовательно, выравнивание спинов Mn внешним магнитным полем вызывает более высокую проводимость. Соответствующие экспериментальные работы были выполнены Волгером,[6] Воллан и Келер,[7] и позже Jirak et al.[8] и Pollert et al.[9]

Однако модель двойного обмена неадекватно объясняет высокое сопротивление, подобное диэлектрику, выше температуры перехода.[10] В 1990-х годах работы R. von Helmolt et al.[11] и Jin et al.[12] инициировал большое количество дальнейших исследований. Хотя до сих пор нет полного понимания этого явления, существует множество теоретических и экспериментальных работ, обеспечивающих более глубокое понимание соответствующих эффектов.

Теория

Одной из известных моделей является так называемая полуметаллическая ферромагнитная модель, который основан на расчетах спин-поляризованной (СП) зонной структуры с использованием приближение локальной спиновой плотности (LSDA) из теория функционала плотности (DFT) где отдельные расчеты проводятся для электронов со спином вверх и вниз. Полуметаллическое состояние совпадает с существованием основной металлической спиновой полосы и неметаллической неосновной спиновой полосы в ферромагнитной фазе.

Эта модель не такая, как Стоунер Модель странствующего ферромагнетизма. В модели Стонера высокая плотность состояний на уровне Ферми делает немагнитное состояние нестабильным. При расчетах SP на ковалентных ферромагнетиках обменно-корреляционный интеграл в LSDA-DFT заменяет параметр Стонера. Плотность состояний на уровне Ферми особой роли не играет.[13] Существенным преимуществом полуметаллической модели является то, что она не полагается на присутствие смешанной валентности, как это делает механизм двойного обмена, и поэтому может объяснить наблюдение CMR в стехиометрических фазах, таких как пирохлор Tl.2Mn2О7. Микроструктурные эффекты были также исследованы для поликристаллических образцов, и было обнаружено, что магнитосопротивление часто определяется туннелированием спин-поляризованных электронов между зернами, что приводит к внутренней зависимости магнитосопротивления от размера зерна.[14][15]

Полностью количественное понимание эффекта CMR было труднодостижимым, и это все еще является предметом текущих исследований. Ранние перспективы больших возможностей для развития новых технологий еще не реализовались.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Рамирес, А. П. (1997). «Колоссальное магнитосопротивление». Журнал физики: конденсированное вещество. 9 (39): 8171–8199. Bibcode:1997JPCM .... 9.8171R. Дои:10.1088/0953-8984/9/39/005. S2CID  19951846.
  2. ^ Rodriguez-Martinez, L .; Attfield, J.P. (1996). «Катионный беспорядок и размерные эффекты в магниторезистивных перовскитах оксида марганца». Физический обзор B. 54 (22): R15622 – R15625. Bibcode:1996PhRvB..5415622R. Дои:10.1103 / PhysRevB.54.R15622. PMID  9985717.
  3. ^ «Химики изучают новый материал с помощью компьютерных жестких дисков нового поколения». Новости Абердинского университета. 27 января 2014 г.
  4. ^ Даготто, Эльбио (14 марта 2013 г.). «Краткое введение в гигантское магнитосопротивление (GMR)». Наноразмерное разделение фаз и колоссальное магнитосопротивление: физика манганитов и родственных соединений. Серия Спрингера в науках о твердом теле. 136. Springer Science & Business Media. С. 395–396. Дои:10.1007/978-3-662-05244-0_21. ISBN  9783662052440.
  5. ^ Jonker, G.H .; Ван Сантен, Дж. Х. (1950). «Ферромагнитные соединения марганца со структурой перовскита». Physica. 16 (3): 337. Bibcode:1950Phy .... 16..337J. Дои:10.1016/0031-8914(50)90033-4.
  6. ^ Волгер, Дж. (1954). «Дальнейшие экспериментальные исследования некоторых ферромагнитных оксидных соединений марганца со структурой перовскита». Physica. 20 (1): 49–66. Bibcode:1954 Фи .... 20 ... 49 В. Дои:10.1016 / S0031-8914 (54) 80015-2.
  7. ^ Wollan, E. O .; Келер, В. К. (1955). "Нейтронографическое исследование магнитных свойств ряда соединений типа перовскита [(1-x) La, x Ca] MnO_ {3} ". Физический обзор. 100 (2): 545. Bibcode:1955ПхРв..100..545Вт. Дои:10.1103 / PhysRev.100.545.
  8. ^ Jirák, Z .; Крупичка, С .; Šimša, Z .; Dlouhá, M .; Вратислав, С. (1985). «Нейтронографическое исследование перовскитов Pr1 - xCaxMnO3». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 53 (1–2): 153. Bibcode:1985JMMM ... 53..153J. Дои:10.1016/0304-8853(85)90144-1.
  9. ^ Pollert, E .; Крупичка, С .; Кузьмичова, Э. (1982). «Структурное исследование перовскитов Pr1 − xCaxMnO3 и Y1 − xCaxMnO3». Журнал физики и химии твердого тела. 43 (12): 1137. Bibcode:1982JPCS ... 43.1137P. Дои:10.1016/0022-3697(82)90142-1.
  10. ^ Дж. Н. Лалена и Д. А. Клири "Принципы конструирования неорганических материалов", 2-е изд., John Wiley & Sons, New York, p. 361 (2010).
  11. ^ von Helmolt, R .; Wecker, J .; Holzapfel, B .; Шульц, Л .; Самвер, К. (1993). «Гигантское отрицательное магнитосопротивление в перовскитоподобном La2 / 3Ba1 / 3Mn. Бык ферромагнитные пленки ». Письма с физическими проверками. 71 (14): 2331–2333. Bibcode:1993ПхРвЛ..71.2331В. Дои:10.1103 / PhysRevLett.71.2331. PMID  10054646.
  12. ^ Jin, S .; Tiefel, T. H .; McCormack, M .; Fastnacht, R.A .; Ramesh, R .; Чен, Л. Х. (1994). «Тысячкратное изменение удельного сопротивления в магниторезистивных пленках La-Ca-Mn-O». Наука. 264 (5157): 413–5. Bibcode:1994Научный ... 264..413J. Дои:10.1126 / science.264.5157.413. PMID  17836905.
  13. ^ Р. Целлер Вычислительная нанонаука: сделай сам, Дж. Гротендорст, С. Блегель, Д. Маркс (ред.), Институт вычислительной техники Джона фон Неймана, Юлих, NIC Series, Vol. 31, ISBN  3-00-017350-1, pp. 419-445, 2006.
  14. ^ Дж. Н. Лалена и Д. А. Клири "Принципы конструирования неорганических материалов", 2-е изд., John Wiley & Sons, New York, p. 361-362 (2010).
  15. ^ Для обзора см .:Даготто, Э. (2003). Наноразмерное разделение фаз и колоссальное магнитосопротивление. Серия Спрингера в науках о твердом теле. Springer. ISBN  978-3-662-05244-0.

внешняя ссылка