[論文レビュー] Polaron formation in the optimally doped ferromagnetic manganites La0.7Ba0.3MnO3 and La0.7Ba0.3MnO3

Y. Chen, B. G. Ueland+4 more|ArXiv.org|Oct 9, 2008

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、最適ドーピングされた強磁性マンガン酸土ガスLa0.7Sr0.3MnO3およびLa0.7Ba0.3MnO3の強磁性状態において、Curie温度（TC）よりはるかに低い温度で、動的ナノスケールポラロンが急激に形成されることを、弾性および非弾性中性子散乱によって示した。La0.7Ca0.3MnO3とは異なり、これらのポラロンは静的格子秩序に固定されず、動的であるままであり、これがこれらの物質における強磁性転移が2次的であることを説明する。

ABSTRACT

The nature of the polarons in the optimally doped colossal magnetoresistive (CMR) materials La0.7Ba0.3MnO3 (LBMO) and La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) is studied by elastic and inelastic neutron scattering. In both materials, dynamic nanoscale polaron correlations develop abruptly in the ferromagnetic state. However, the polarons are not able to lock-in to the lattice and order, in contrast to the behavior of La0.7Ca0.3MnO3. Therefore ferromagnetic order in LBMO and LSMO survives their formation, explaining the conventional second order nature of the ferromagnetic--paramagnetic transition. Nevertheless, the results demonstrate that the fundamental mechanism of polaron formation is a universal feature of these ferromagnetic perovskite manganites.

研究の動機と目的

• 最適ドーピングされた強磁性マンガン酸土ガスLa0.7Sr0.3MnO3およびLa0.7Ba0.3MnO3におけるポラロンの性質を調査すること。
• これらの物質におけるポラロンが、第一順位の強磁性転移を示すことが知られているLa0.7Ca0.3MnO3と同様に、静的で秩序のある相を形成するかどうかを特定すること。
• ナノスケールの不均一性が存在するにもかかわらず、LSMOおよびLBMOにおける強磁性転移が2次的のままである理由を理解すること。
• これらの強磁性マンガン酸土ガスにおいて、長距離格子秩序が存在しない状況でのポラロン動的な役割を明確にすること。
• マンガン酸土ガスペロブスカイトにおける異なるAサイトドーピング元素（Ca、Sr、Ba）の間でのポラロン特性を比較すること。

提案手法

• NIST中性子研究センターのBT-7およびBT-9熱的三軸分光計を用いて、La0.7Sr0.3MnO3およびLa0.7Ba0.3MnO3の単結晶に対して弾性および非弾性中性子散乱を実施した。
• Curie温度（TC）より低い温度から高い温度まで広い温度範囲で中性子データを収集し、ポラロン相関の温度依存的変化を調査した。
• 非弾性散乱強度を線形背景に加えてガウス型ピークをフィットさせ、ポラロン励起信号を抽出した。
• ボーズ＝アインシュタイン熱因子を補正した上で、積分強度およびピーク幅の温度依存性を分析し、内在的な相関行動を分離した。
• ピーク幅を仮定してガウス型とみなした場合の相関長は、測定温度範囲全域で約1 nmであった。
• La0.7Ca0.3MnO3に関する先行研究と比較することで、静的と動的ポラロン行動の対比と、磁気的相転移に与える影響を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適ドーピングされた強磁性マンガン酸土ガスLa0.7Sr0.3MnO3およびLa0.7Ba0.3MnO3において、Curie温度未満で動的ナノスケールポラロンが形成されるか？
• RQ2 La0.7Ca0.3MnO3とは異なり、ポラロンが形成されているにもかかわらず、なぜLSMOおよびLBMOにおける強磁性転移は2次的のままであるのか？
• RQ3 LSMOおよびLBMOにおけるポラロンは静的か動的か。また、格子に固定されて長距離秩序相を形成するか？
• RQ4 LSMOおよびLBMOにおけるポラロン相関の強度およびサイズは、La0.7Ca0.3MnO3と比較して定量的にどの程度か？
• RQ5 これらの強磁性金属系におけるポラロン形成温度は何かによって制御されており、なぜLSMOおよびLBMOではLCMOに比べて低いか？

主な発見

• La0.7Sr0.3MnO3およびLa0.7Ba0.3MnO3の強磁性状態において、Curie温度（351 Kおよび336 K）よりはるかに低い温度で、動的ナノスケールポラロンが急激に形成される。
• 非弾性中性子散乱信号は約8 meVに明確なピークとして現れ、強度および幅が温度に依存しないため、約1 nmの安定した相関長を示している。
• 観測された散乱領域全域で、ポラロン相関長は約1 nmで一定であり、持続的なナノスケールの不均一性が存在することを示唆している。
• LSMOおよびLBMOでは静的ポラロン秩序は観察されず、低エネルギー格子振動モードの欠如から、散乱が純粋に動的ポラロン相関に起因することを確認した。
• ポラロン散乱の強度（ポラロン数に関連）は、Aサイトカチオンおよび転移温度の違いにもかかわらず、LCMO、LSMO、LBMOの間でほぼ同等の大きさであった。
• ポラロンが静的ガラス相に凝縮しないため、強磁性状態は安定であり、2次的相転移を維持している。一方、La0.7Ca0.3MnO3では、このような秩序化が強磁性を制限する。