[論文レビュー] Influence of Cu on spin-polaron tunneling in the ferromagnetic state of La(2/3)Ca(1/3)Mn(1-x)Cu(x)O(3) from the resistivity data

S. Sergeenkov, Hassan Bougrine+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 1999

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science参考文献 13被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、La₂/₃Ca₁/₃Mn₁₋ₓCuₓO₃における4% Cuドーピングが強磁性状態で抵抗率を約50%低下させることを示した。これはスピン・ポラロントンネルエネルギーエネルギーEσ(x) ≈ Eσ(0)(1−x)⁴の低下に起因する。抵抗率は非熱的であり、整合性のあるトンネル模型ρ(T,x) = ρ₀e⁻ᵞᴹ²⁽ᵀ,ˣ⁾でよく記述され、磁化M(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}である。定量的フィットにより、Cuドーピングに起因するポラロンエネルギーセパレーションの抑制とキャリア相関長の増大が明らかになった。

ABSTRACT

Nearly a 50% decrease of resistivity ρ(T,x) due to just 4% Cu doping on the Mn site of La(2/3)Ca(1/3)Mn(1-x)Cu(x)O(3) is observed. Attributing the observed phenomenon to the substitution induced decrease of the spin polaron energy E_s(x) below the Curie point T_C(x)=T_C(0)(1-x), all data are found to be well fitted by the nonthermal coherent tunneling expression ρ(T,x) = ρ_0*exp(-γM^2(T,x)) assuming M(T,x)=M_R(x)+M_0(x)*tanh{\sqrt{[T_C(x)/T]^2-1}} for the magnetization in the ferromagnetic state. The best fits through all the data points yield M_0(x)= \sqrt(1-x)M_0(0), M_R(x)=\sqrt(x)M_0(0), and E_s(x)=E_s(0)(1-x)^4 for the Cu induced modifications of the Mn spins dominated zero-temperature spontaneous magnetization, the residual paramagnetic contribution, and spin-polaron energy, respectively, with E_s(0)=0.12 eV.

研究の動機と目的

• CuドーピングによるLa₂/₃Ca₁/₃MnO₃の抵抗率の著しい低下の起源を理解すること。
• MnサイトへのCu置換がもたらす構造的・電子的・磁気的変化が抵抗率変化に寄与するかどうかを特定すること。
• 抵抗率挙動がスピン・ポラロンを含む非熱的整合トンネルメカニズムによって説明可能かどうかを検証すること。
• 抵抗率データからスピン・ポラロントンネルエネルギーエネルギーEσ(x)および磁化成分のドーピング依存性を抽出すること。

提案手法

• x = 0およびx = 0.04の試料に対して、4端子法を用いて20–300 Kの範囲で抵抗率ρ(T,x)を測定した。
• 抵抗率データは非熱的トンネル式ρ(T,x) = ρ₀e⁻ᵞᴹ²⁽ᵀ,ˣ⁾でフィットした。ここでM(T,x)は強磁性状態における磁化である。
• 磁化はM(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}としてモデル化され、自発磁化および残留常磁性寄与を表す。
• 全データポイントにグローバルフィットを適用し、モデルパラメータρ₀、γ、M₀(x)、Mᵣ(x)を抽出した。
• 相関長L(M) ∝ 1/M²から、スピン・ポラロントンネルエネルギーエネルギーEσ(x)を導出。Eσ(x) ∝ L⁻²である。
• T_CおよびT→0における予測抵抗率を実験データと比較することで、モデルの物理的整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mnサイトへの4% Cuドーピングは、La₂/₃Ca₁/₃Mn₁₋ₓCuₓO₃の強磁性状態における抵抗率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 観察された抵抗率低下は、スピン・ポラロンの非熱的整合トンネルメカニズムによって説明可能か？
• RQ3 スピン・ポラロントンネルエネルギーエネルギーEσ(x)のドーピング依存性は何か？また、磁化成分とどのように関係するか？
• RQ4 構造的変化が観察されないにもかかわらず、わずかなCu量が著しい抵抗率変化を引き起こす理由は何か？
• RQ5 磁化モデルM(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}は、全温度範囲および全ドーピングレベルで抵抗率データと整合性を持つか？

主な発見

• XRDやマイクロアナリシスによる検査で顕著な構造的変化が認められないにもかかわらず、4% Cuドーピングにより抵抗率が50%低下した。
• 抵抗率データは非熱的トンネル模型ρ(T,x) = ρ₀e⁻ᵞᴹ²⁽ᵀ,ˣ⁾、M(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}により良好にフィットした。
• 残留常磁性寄与Mᵣ(x)は√x M₀(0)に比例し、自発磁化M₀(x)は√(1−x) M₀(0)に比例する。
• スピン・ポラロントンネルエネルギーエネルギーはEσ(x) ≈ Eσ(0)(1−x)⁴で減少し、Eσ(0) ≈ 0.12 eV、ポラロンサイズ2R ≈ 10 Åである。
• モデルはT_CおよびT→0における抵抗率を高い一貫性で予測し、解釈の自己整合性を確認した。
• 類似したマンガン酸化物におけるCoドーピングの傾向と整合するため、遷移金属ドーピングがポラロントンネル障壁を抑制する普遍的役割を支持する。