[論文レビュー] Spin and orbital degrees of freedom in transition metal oxides and oxide thin films studied by soft x-ray absorption spectroscopy

M. W. Haverkort|arXiv (Cornell University)|May 9, 2005

Magnetic properties of thin films参考文献 7被引用数 46

ひとこと要約

本学位論文は、完全な多重項理論を用いたソフトX線吸収分光法（XAS）を用いて、遷移金属酸化物および薄膜における軌道、スピン、電荷自由度を調査する。XASが直接的に軌道占有状態とスピン状態を測定できることを示し、長年の曖昧さを解消した—例えば、層状コバルト酸化物におけるCo³⁺が中間スピン状態ではなく高スピン状態にあることを確認し、軌道秩序がVO₂におけるモット＝パイエルズ転移を駆動することを明らかにした。

ABSTRACT

The class of transition metal compounds shows an enormous richness of physical properties, such as metal-insulator transitions, colossal magneto-resistance, super-conductivity, magneto-optics and spin-depend transport. It now becomes more and more clear that in order to describe transition metal compounds the charge, orbital, spin and lattice degrees of freedom should all be taken into account. With the recognition that the local orbital occupation plays an important role in many of the transition metal compounds there is a need for experimental techniques that can measure the orbital occupation. This technique is soft x-ray absorption spectroscopy. Within this PhD. Thesis we will illustrate the usefulness of this technique by some examples: 1) Magnetic versus crystal-field linear dichroism in NiO thin films. 2) The importance of spin-orbit coupling in CoO bulk and CoO thin films. 3) Aligning spins in anti ferromagneticfilms using antiferromagnets. 4) The spin-state puzzle in the cobaltates. 5) Determination of the orbital momentum and crystal-field splitting in LaTiO3. 6) Orbital-assisted metal-insulator transition in VO2.

研究の動機と目的

• 層状コバルト酸化物におけるCo³⁺イオンのスピン状態に関する長年の曖昧さを解消すること。ここでは、磁化、中性子回折、X線回折の結果が矛盾し続けた。
• ソフトX線吸収分光法（XAS）と完全な多重項理論を用いて、遷移金属酸化物における軌道占有状態とスピン状態を直接測定する手法を確立すること。
• 軌道自由度が金属-絶縁体転移に果たす役割、特にVO₂およびCoOにおいて、電子相関と格子歪みとどのように関連するかを調査すること。
• 応力および界面スピン結合が、強磁性または反強磁性基板と結合することで、反強磁性薄膜におけるスピンを整列させることを示すこと。
• XASおよび偏光分光法を用いて、LaTiO₃および他のペロブスカイト系において、結晶場分裂と軌道のクエンチングの役割を明確にすること。

提案手法

• 3d遷移金属のL端におけるソフトX線吸収分光法（XAS）を用い、局所的な電子構造に高い感度を持つ2p→3dコア準位遷移を調査した。
• 電子間相互作用、スピン-軌道結合、および電気双極子選択則を考慮した完全な多重項理論を用いてXASスペクトルを解釈した。
• 結晶場、共有性、および局所Coulomb相互作用（U）を含む現実的なハミルトニアンを用いたクラスター計算により、局所的電子構造をモデル化した。
• 偏光依存XASを実施し、線形および円二色性を用いて軌道占有状態と磁化モーメント成分を抽出した。
• XASと理論的モデリングを組み合わせ、スペクトルから直接的に軌道モーメント、結晶場分裂、スピン状態の分布を抽出した。
• Sr₂CoO₃Clなどのモデル化合物におけるXASを用いて、手法の妥当性を検証し、複雑な酸化物におけるスピン状態の曖昧さを解消した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層状コバルト酸化物におけるCo³⁺の真のスピン状態は何か？ なぜバルク測定では矛盾した結果が得られるのか？
• RQ2 軌道占有状態とその異方性は、VO₂における金属-絶縁体転移にどのように影響するか？
• RQ3 LaTiO₃のようなペロブスカイト系において、結晶場分裂と共有性がどれほど軌道モーメントをクエンチするか？
• RQ4 従来の手法が曖昧な複雑な酸化物において、XASは直接的に軌道占有状態とスピン状態を測定可能か？
• RQ5 反強磁性薄膜における界面スピン結合がスピン整列を引き起こすメカニズムは何か？ また、応力はその過程にどのような役割を果たすか？

主な発見

• Sr₂CoO₃Clおよび関連する層状コバルト酸化物におけるCo³⁺イオンは、明確に高スピン状態（S² = 6）にあり、従来の間接的測定による論争を解決した。
• VO₂における金属-絶縁体転移に伴い、軌道占有状態が顕著に変化し、ほぼ等方的から強くσ偏光的へと変化する。この変化が有効1次元性へと導く。
• VO₂における金属-絶縁体転移は、電子相関とジャーン・テラー型歪みが協同してギャップを形成する、統合的モット＝パイエルズ転移として最も適切に記述できる。
• LaTiO₃では、XASおよび偏光光電子分光により確認されたように、強い結晶場（120–300 meV）によって軌道モーメントがクエンチされている。
• CoO薄膜における応力はスピンの向きを変える。引張応力または圧縮応力が、軌道混合の変化を通じて磁化モーメントの再配列を引き起こす。
• 反強磁性基板との界面スピン結合により、MnO薄膜におけるスピンが整列することが示された。これは、反強磁性薄膜におけるスピン配向制御の新たな道筋を示している。