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用温度控制磁铁矿的自掺杂

物理学 2023-02-04 11:31:42

作者:Phys的大卫·阿佩尔

(同organic)有机 随着温度的升高,磁铁矿及其三聚体通过其三种状态转变

信用:赫巴塔拉埃尔纳加尔 磁铁矿Fe3O4是地球上最丰富的含铁矿物之一,也是已知最古老的磁性物质

磁铁矿在许多领域都有应用,如古地磁研究——岩石形成时产生的磁性——医学和数据记录

这是已知的第一个金属转变为绝缘体的例子,即所谓的“韦维转变”,这是在荷兰化学家埃弗特·韦维之后,他第一次认识到磁铁矿在转变时物理性质的变化

这种金属到绝缘体的转变是在大约123开尔文(-150摄氏度)的低温下发现的;-238华氏度),这是“莫特绝缘体”的典型例子——根据传统的电子能带理论,这种材料有望导电,但实际上是绝缘体

几十年的研究已经推断出,在磁铁矿的绝缘体相中,形成了一个复杂的、长距离的线性磁性分子网络,称为“三聚体”,具有线性结构Fe3+-Fe2+-Fe3+

但是最近,三聚体也被证明存在于类似金属的高温相中,正好在韦维跃迁之上

最近发表的一项研究的首席研究员Hebatalla Elnaggar告诉Phys:“然而,这些短程三聚体的作用以及它们崩溃背后的机制仍然是一个未解之谜。”

(同organic)有机

“这促使我们设计了一个新的实验来解决这些问题

" 为了研究三聚体的坍缩机制以及它们在韦维跃迁正上方的温度演化,现为巴黎索邦大学Rubicon博士后研究员的Elnaggar和她来自其他七所大学和机构的同事们,在法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施,对一个磁铁矿晶体进行了高能X射线照射

利用x光光谱,他们能够研究磁铁矿中的短程结构波动和电荷重排

Elnaggar说:“我们发现在金属相中发生了新的电荷重排,导致了Fe3+-Fe2+-Fe3+三聚体单元的空穴自掺杂效应。”

“掺杂”一种材料通常意味着添加一种额外的化学物质来改变材料的电学或光学性质——最著名的例子是在硅这样的半导体中添加杂质来改变其导电能力

通过“自掺杂”,当温度升高时,磁铁矿自身相对于Fe2+离子增加了Fe3+离子的数量,这对于三聚体具有显著的影响

Elnaggar说:“在这篇论文中,我们展示了这个比值如何映射出电导率和磁性等重要物理性质的温度依赖性。”

此外,该小组发现,通过控制温度,可以连续和可逆地调节自掺杂水平

他们还确定了三个自掺杂的温度域或状态,描述了磁铁矿关键物理性质的温度依赖性,如导电性和磁性

短程三聚体起到“关联描述符”的作用——它们描述了磁铁矿中电学和磁学性质的演变,以及由于温度驱动的空穴自掺杂而导致的磁崩

研究小组在论文中写道,这三种电荷有序状态“非常好地”匹配了磁铁矿关键物理性质的已知温度演化——从123 K时的韦维跃迁下方到高达330 K时的类似半导体行为,随后随着类似金属行为的典型温度下降到840 K,电导率适度上升,随后温度超过840 K,标志着第三种状态的开始

因此,温度驱动的自掺杂提供了一种独特的、可调节的手柄,它与化学掺杂紧密相连

“我们的结果在磁铁矿中化学掺杂和温度驱动的自掺杂之间提供了一个优雅的类比,并启发我们问:这个类比可以推广到其他莫特绝缘体吗?”埃尔纳加尔说

(莫特绝缘体的其他众所周知的例子是氧化镍、氧化镍和镧铜氧化物La2CuO4,后者是大约40 K的超导体

) 因为这种技术使用硬X射线非弹性散射(“非弹性”是指入射X射线光子的能量变化),所以这种实验可以在高压和高温下进行

“这为地球科学领域和极端条件下的相变开辟了令人兴奋的研究可能性,”埃尔纳加尔说,在那里,了解高压和高温下铁矿物的相关性至关重要

Elnaggar说:“我们设想这种技术可以解决古地磁中悬而未决的问题,例如理解高压下钛磁铁矿的磁性结构。”

古地磁是研究地球对岩石和其他物质中过去磁场的锁定记录——强度和方向;除其他信息外,它还能提供关于构造板块和地磁场倒转的位置信息

钛磁铁矿是一种含有钛和铁氧化物的矿物——一种富含钛的磁铁矿,其中Ti2+取代了部分Fe2+

钛磁铁矿是火成岩(热时形成的岩石,熔融岩石结晶并固化)和变质岩(因地壳深处的热和压力而变化)中常见的磁性矿物,对地磁研究也很重要

这项研究发表在《物理评论快报》上

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