[論文レビュー] Ba2NiOsO6: A Dirac-Mott insulator with ferromagnetism near 100 K

Hai L. Feng, Stuart Calder+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Os6+イオンにおける強いスピン軌道結合によって安定化され、100 K近辺で強磁性を示す、新しいディラック＝モット絶縁体Ba2NiOsO6が同定された。6 GPa、1500 °Cの高圧下で合成された本物質は、中性子回折およびDFT計算によって確認された偏りのない強磁性基底状態を示し、電子相関とスピン軌道結合の特異な組み合わせに起因するギャップの形成と強磁性秩序が特徴であり、従来の希薄磁性半導体および反強磁性絶縁体とは明確に区別される。

ABSTRACT

The ferromagnetic semiconductor Ba2NiOsO6 (Tmag ~100 K) was synthesized at 6 GPa and 1500 °C. It crystallizes into a double perovskite structure [Fm-3m; a = 8.0428(1) Å], where the Ni2+ and Os6+ ions are perfectly ordered at the perovskite B-site. We show that the spin-orbit coupling of Os6+ plays an essential role in opening the charge gap. The magnetic state was investigated by density functional theory calculations and powder neutron diffraction. The latter revealed a collinear ferromagnetic order in a >21 kOe magnetic field at 5 K. The ferromagnetic gapped state is fundamentally different from that of known dilute magnetic semiconductors such as (Ga,Mn)As and (Cd,Mn)Te (Tmag < 180 K), the spin-gapless semiconductor Mn2CoAl (Tmag ~720 K), and the ferromagnetic insulators EuO (Tmag ~70 K) and Bi3Cr3O11 (Tmag ~220 K). It is also qualitatively different from known ferrimagnetic insulator/semiconductors, which are characterized by an antiparallel spin arrangement. Our finding of the ferromagnetic semiconductivity of Ba2NiOsO6 should increase interest in the platinum group oxides, because this new class of materials should be useful in the development of spintronic, quantum magnetic, and related devices.

研究の動機と目的

• 強い電子相関とスピン軌道結合を併せ持つ新しい量子材料の同定と特性評価を目的とする。
• 5d遷移金属陽イオンを有するペロブスカイト型酸化物における強磁性の起源を解明することを目的とする。
• Ba2NiOsO6が電子相関およびスピン軌道結合の効果によって電子構造にギャップを示すかどうかを特定することを目的とする。
• 既知の希薄磁性半導体および反強磁性絶縁体と比較して、その磁性および電子的性質の相違を明確にすることを目的とする。
• プラチナ族酸化物を基盤とする材料がスピントロニクスおよび量子デバイス応用に果たす可能性を探索することを目的とする。

提案手法

• Ba2NiOsO6のデュアルペロブスカイト相を安定化させるために、6 GPaおよび1500 °Cの高圧固相反応を実施した。
• X線および中性子回折を用いて結晶構造と磁性秩序を同定し、格子定数およびサイト占有度を評価した。
• 5 Kで21 kOeを超える高磁場下での粉末中性子回折を実施し、偏りのない強磁性秩序の確認を行った。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて電子構造、スピン軌道結合の効果、および電荷ギャップの起源を調査した。
• 磁化率および磁化度の測定データを分析し、Curie温度（Tmag ~100 K）を特定した。
• 既知の強磁性絶縁体および半導体と比較することで、電子的および磁気的性質の独自性を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba2NiOsO6における電子ギャップの起源は何か？ また、Os6+のスピン軌道結合はその形成にどのように寄与するか？
• RQ2 Ba2NiOsO6における磁性秩序は、(Ga,Mn)As や (Cd,Mn)Te などの従来の希薄磁性半導体とどのように異なるか？
• RQ3 強い電子相関が存在するにもかかわらず、なぜBa2NiOsO6は100 K近辺で強磁性秩序を示すのか？
• RQ4 Ba2NiOsO6の電子構造は、Mn2CoAl などのスピンギャップレス半導体や、EuO などの他の強磁性絶縁体と比較してどのように異なるか？
• RQ5 Ba2NiOsO6で観察されたディラック＝モット絶縁体状態は、電子相関とスピン軌道結合の特定の相乗効果に起因するものと特定できるか？

主な発見

• Ba2NiOsO6は空間群Fm-3m、格子定数a = 8.0428(1) Åのデュアルペロブスカイト構造を結晶化する。
• 磁化測定により、Tmag ~100 Kで強磁性転移を示すことが確認された。
• 21 kOeを超える磁場下で5 Kで実施した粉末中性子回折により、偏りのない強磁性秩序が確認された。
• DFT計算により、Ba2NiOsO6の電荷ギャップは主にOs6+イオンの強いスピン軌道結合によって形成されていることが明らかになった。
• 本物質はディラック＝モット絶縁体として同定され、強磁性、ギャップ有り、強く相関した性質を併せ持つ点で、既知の希薄磁性半導体および反強磁性絶縁体とは明確に異なる。
• 本発見は、プラチナ族酸化物を基盤とする材料が、先進的なスピントロニクスおよび量子磁気デバイスに応用可能である可能性を示唆している。