[論文レビュー] Phase equilibrium in two orbital model under magnetic field

Shihua Dong, X. Y. Yao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2006

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、2軌道モデルを用いて磁場下における半ドープマンガン酸化物の相平衡を調査し、強磁性相（FM）とCE相の間の相分離を、等価な化学ポテンシャルの原則を適用することで分析する。FM+CE相の共存が開始する臨界磁場は0.0069t₀（約12 T）と予測され、磁場強度の関数として競合する相の体積分率が定量的に評価されており、実験的観察と整合的である。

ABSTRACT

The phase equilibrium in manganites under magnetic field is studied using a two orbital model, based on the equivalent chemical potential principle for the competitive phases. We focus on the magnetic field induced melting process of CE phase in half-doped manganites. It is predicted that the homogenous CE phase begins to decompose into coexisting ferromagnetic phase and CE phase once the magnetic field exceeds the threshold field. In a more quantitative way, the volume fractions of the two competitive phases in the phase separation regime are evaluated.

研究の動機と目的

• 半ドープマンガン酸化物における磁場誘発相分離、特にCE相の溶解を理解すること。
• 外部摂動下における相平衡の理論的枠組みを構築し、競合するFM相とCE相に焦点を当てる。
• 相分離領域における共存相の体積分率を定量的に評価すること。
• 均一なCE相から相分離的FM+CE状態への遷移のための臨界磁場閾値を特定すること。
• ゼロ磁場下における異なる相の安定化に寄与するスピン交換相互作用（J_AF）の役割を調査すること。

提案手法

• ダブルエクスチェンジ、フント結合、スピン交換相互作用、および磁場とのゼーマン相互作用を含む2軌道モデルハミルトニアンを採用する。
• フント結合を無限大と仮定し、eg電子とt2gスピンモーメントの整列を強制する。
• 特定のt2gスピン配置（例：CE、CAFm、GAFm、FM）に対してモデルを正確に解き、数値的分散評価を用いて状態密度（DOS）を計算する。
• 競合する相間における化学ポテンシャルの等価性の原則を適用し、相平衡条件を決定する。
• 自由エネルギーの比較と化学ポテンシャルが一致する共存領域の特定により、相分離を分析する。
• 熱力学的一致条件を用いて、磁場およびJ_AFの関数としてFM相とCE相の体積分率を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半ドープマンガン酸化物のCE相における相分離を誘発するための臨界磁場閾値は何か？
• RQ2 印加磁場の関数として、強磁性相およびCE相の体積分率はどのように変化するか？
• RQ3 ゼロ磁場下において、スピン交換相互作用（J_AF）はCE相の安定性および相分離の開始にどのように寄与するか？
• RQ4 実験的に観測されたCE相の溶解臨界磁場が、FM相とCE相の直接的なエネルギー差よりも著しく小さいのはなぜか？
• RQ5 化学ポテンシャル等価性の原則は、外部磁場下におけるマンガン酸化物の相平衡を正確に記述できるか？

主な発見

• CE相を溶解させるための磁場閾値は0.0069t₀と計算され、t₀ ≈ 0.1 eVのとき約12 Tに相当し、実験データと良好に一致する。
• 相分離領域における強磁性相およびCE相の体積分率が、印加磁場の関数として定量的に評価された。
• 磁場が閾値を超えると相分離領域が出現し、FM相とCE相の共存が生じるが、この閾値未満では均一なCE相が安定である。
• 相分離のおかげで、電荷秩序絶縁体を破壊するに必要な磁場が顕著に低減される。これは、化学ポテンシャルが等しくなる近接領域で競合相が安定化するためである。
• スピン交換相互作用（J_AF）は相図を決定する上で極めて重要な役割を果たす：中程度のJ_AF（0.019t₀ < J_AF < 0.026t₀）では、外部磁場がなくてもFM相とCE相の相分離が生じる。
• 低J_AFでは、外部磁場なしに基底状態が均一なFM相になるが、高J_AFではCE相が安定を保ち、J_AFの増加に伴いFM→相分離→CE相への遷移が観察される。