[論文レビュー] Open Questions in CMR Manganites, Relevance of Clustered States, and Analogies with other Compounds

Elbio Dagotto|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2003

High-pressure geophysics and materials被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、特に巨大磁気抵抗（CMR）マンガン酸化物において、相分離や混合相領域などの不均一で「クラスタ化」した状態が、関連電子系において根本的かつ広範に見られる現象であると主張している。CMR効果は、金属的フェリ磁性相と絶縁的（電荷／軌道秩序型または反強磁性）相の間の競合によって生じるものであり、異常な振る舞いの始まりを示す普遍的な温度スケール$T^*$が存在する。この特徴は、マンガン酸化物、銅酸化物、有機超伝導体、重フェルミオン系のすべてに共通する。

ABSTRACT

This is an informal paper that contains a list of ``things we know'' and ``things we do not know'' in manganites. It is adapted from the conclusions chapter of a recent book by the author, {\it Nanoscale Phase Separation and Colossal Magnetoresistance. The Physics of Manganites and Related Compounds}, Springer-Verlag, Berlin, November 2002. The main new result of recent manganite investigations is the discovery of tendencies toward inhomogeneous states, both in experiments and in simulations of models. The colossal magnetoresistance effect appears to be closely linked to these mixed-phase tendencies, although considerably more work is needed to fully confirm these ideas. The paper also includes information on cuprates, diluted magnetic semiconductors, relaxor ferroelectrics, cobaltites, and organic and heavy fermion superconductors. These materials potentially share some common phenomenology with the manganites, such as a temperature scale $T^*$ above the ordering temperature where anomalous behavior starts. Many of these materials also present low-temperature phase competition. The possibility of colossal-like effects in compounds that do not involve ferromagnets is briefly discussed. Overall, it is concluded that inhomogeneous ``clustered'' states should be considered a new paradigm in condensed matter physics, since their presence appears to be far more common than previously anticipated.

研究の動機と目的

• 巨大磁気抵抗（CMR）マンガン酸化物における未解決問題、特に不均一でクラスタ化した状態の役割を特定し、明確化すること。
• フェリ磁性金属相と電荷／軌道秩序型絶縁体相の間の相の競合が、CMRの起源にどのように関与するかを調査すること。
• マンガン酸化物と他の関連電子系（銅酸化物、希薄磁性半導体、リラクサー鉛酸化物、コバルト酸化物、重フェルミオン化合物など）との間の形式的および現象論的類似性を調査すること。
• ナノスケールの相分離とクラスタ状態の出現が、異常ではなく、統計力学の新しいパラダイムであると主張すること。
• 競合する基底状態を示す多様な材料において、異常な電子的振る舞いの始まりを示す普遍的$T^*$スケールの存在を強調すること。

提案手法

• マンガン酸化物の実験的・シミュレーション的データの分析に、相分離クラスターや混合相行動のような不均一状態に焦点を当てる。
• マンガン酸化物、銅酸化物、有機超伝導体、重フェルミオン系など、複数の関連電子系の相図を比較し、共通の特徴を同定する。
• フェリ磁性金属、電荷秩序（CO）、反強磁性（AF）、超伝導（SC）、スピン密度波（SDW）などの競合相を記述する現象論的モデルの使用に、一次相転移と相共存に特に注目する。
• 多様な材料に共通する普遍的$T^*$スケールの同定。これは、仮想ギャップや電荷フラクチュエーションなどの前段階の異常を示す。
• 二重交換およびジャン・テラー物理学の概念を用いて、$x=0$および$x=1$におけるマンガン酸化物の軌道およびスピン秩序を説明する。
• 平均場理論およびモンテカルロシミュレーションを用いて、特に中間ドーピング（$x=0.5$）におけるマンガン酸化物の複雑な競合基底状態の存在を裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールの相分離およびクラスタ状態は、マンガン酸化物における巨大磁気抵抗（CMR）効果にどのように寄与しているか？
• RQ2 フェリ磁性金属相、電荷秩序絶縁体相、反強磁性状態といった競合相が、CMRを生じさせるためにどのように相互作用しているか？
• RQ3 異常な振る舞いの始まりを示す$T^*$スケールが、多様な関連電子系にわたって普遍的特徴として存在する程度はどの程度か？
• RQ4 マンガン酸化物と他の複雑酸化物（銅酸化物、有機超伝導体、重フェルミオン系など）との間の形式的および現象論的類似性は何か？
• RQ5 複数の材料系に広く見られる不均一でクラスタ状態の存在を、統計力学における新しいパラダイムと見なすことは可能か？

主な発見

• ナノスケールの相分離およびクラスタ状態は、実験およびシミュレーションの両方でマンガン酸化物に広く見られ、CMR効果と強く関連している。
• CMR効果は、フェリ磁性金属相のみでは説明できず、金属的相と絶縁的相の間の競合、特に相境界付近での競合によって生じる。
• ドーピング$x=0$では、LaMnO₃は強い電子-ジャン・テラー結合によって駆動されるA型反強磁性秩序とスピン間隔の軌道秩序を示す。
• ドーピング$x=1$では、完全にホールドーピングされた系はG型反強磁性状態を形成し、ドーピングに伴い磁性秩序が逆転することが示唆される。
• 中間ドーピング（$x=0.5$）では、電荷秩序状態および軌道秩序状態がフェリ磁性金属相と共存し、その競合がCMRを理解する上で中心的役割を果たす。
• マンガン酸化物、銅酸化物、有機超伝導体、重フェルミオン系のすべてに共通して、仮想ギャップや電荷フラクチュエーションなどの前段階の異常を示す普遍的$T^*$スケールが観測される。