[论文解读] 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 3

一句话总结

本文主张，在关联电子体系中，非均匀的'团簇'态——如相分离或混合相区域——是一种根本且广泛存在的现象，尤其在巨磁阻（CMR）锰氧化物中表现显著。该文提出，CMR效应源于金属铁磁相与绝缘相（电荷/轨道有序或反铁磁）之间的竞争，且存在一个普遍的温度标度 $T^*$ 标记异常行为的起始，这一特征在锰氧化物、铜氧化物、有机超导体及重费米子体系中均存在。

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.

研究动机与目标

• 识别并阐明巨磁阻（CMR）锰氧化物中的开放性问题，特别是非均匀团簇态的作用。
• 研究相竞争——尤其是铁磁金属与电荷/轨道有序绝缘相之间的竞争——在CMR起源中的相关性。
• 探索锰氧化物与其他关联电子体系之间的形式与现象学类比，包括铜氧化物、稀释磁半导体、弛豫铁电体、钴氧化物及重费米子化合物。
• 主张纳米尺度相分离与团簇态的出现并非异常，而是凝聚态物理的新范式。
• 强调在多种具有竞争基态的材料中，均观察到一个普遍的 $T^*$ 标度，其标志着异常电子行为的开始。

提出的方法

• 分析锰氧化物的实验与模拟数据，重点关注相分离团簇和混合相行为等非均匀态。
• 比较多种关联电子体系（包括锰氧化物、铜氧化物、有机超导体和重费米子）的相图，以识别共同特征。
• 使用现象学模型描述竞争相（如FM金属、CO、AF、SC、SDW），强调一级相变与相共存。
• 在多种材料中识别出一个普遍的 $T^*$ 标度，标记预转变异常（如赝能隙与电荷涨落）的起始。
• 应用双交换与贾ahn-Teller物理概念，解释在 $x=0$ 和 $x=1$ 时锰氧化物中的轨道与自旋有序。
• 使用平均场与蒙特卡洛模拟，支持锰氧化物中复杂竞争基态的存在，尤其在半掺杂（$x=0.5$）时。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米尺度相分离与团簇态在锰氧化物巨磁阻（CMR）效应中扮演何种角色？
• RQ2 铁磁金属、电荷有序绝缘体与反铁磁态等竞争相如何相互作用以产生CMR？
• RQ3 $T^*$ 标度（标记异常行为起始）在多种关联电子体系中是否具有普遍性？
• RQ4 锰氧化物与其他复杂氧化物（包括铜氧化物、有机超导体与重费米子）之间在形式与现象学上存在何种类比？
• RQ5 鉴于此类非均匀团簇态在多种材料体系中普遍存在，其存在是否可被视为凝聚态物理的新范式？

主要发现

• 纳米尺度相分离与团簇态在锰氧化物中普遍存在，无论在实验还是模拟中，均与CMR效应密切相关。
• CMR效应不能仅由铁磁金属态解释，而是源于金属相与绝缘相之间的竞争，尤其在相边界处表现显著。
• 在 $x=0$ 时，LaMnO₃ 展现A型反铁磁序与交替轨道有序，由强电子-Jahn-Teller耦合驱动。
• 在 $x=1$ 时，完全空穴掺杂体系形成G型反铁磁态，表明磁序随掺杂发生反转。
• 在中间掺杂（$x=0.5$）时，电荷有序与轨道有序态与铁磁金属共存，其竞争是理解CMR的核心。
• 在锰氧化物、铜氧化物、有机超导体及重费米子体系中均观察到普遍的 $T^*$ 标度，其标志着赝能隙与电荷涨落等预转变异常的起始。