Введение к работе
Актуальность темы.
Данная работа посвящена исследованию магнитных и транспортных свойств манганитов. Манганитами называют магнитные оксиды на основе марганца, описываемые химической формулой Аі~хВхМпОз, где А - трехвалентный атом La или Рг, а В - двухвалентный атом Sr, Са или Ва. Характерными особенностями этих веществ являются сильное взаимодействие между орбитальными, зарядовыми и спиновыми степенями свободы, а также тенденция к электронному фазовому расслоению. Эта тенденция свойственна многим сильнокоррелированным системам с преобладанием потенциальной энергии над кинетической.
В большинстве работах по физике манганитов, опубликованных с середины 50-х до начала 90-х годов, рассматривалось однородное состояние системы и не принималась во внимание тенденция к фазовому расслоению. В основу теоретического описания в этих работах была положена модель двойного обмена в магнитноупорядоченной решетке локальных спинов [1, 2]. В рамках этой модели были объяснены корреляции между транспортными и магнитными свойствами, а также описано поведение манганитов в ферромагнитной проводящей фазе. Открытие в начале 90-х годов эффекта колоссального магнетосопро-тивления (CMR) в манганитах резко повысило интерес к этим веществам и заставило критически переосмыслить соответствие между теорией и экспериментальными данными. Оказалось, что модель двойного обмена в упорядоченной магнитной подрешетке хорошо описывает свойства манганитов в металлической фазе вдали от перехода метал-изолятор [3], однако, она не может описать диэлектрическое состояние системы и объяснить возникновение неоднородных фаз, экспериментально наблюдаемых в манганитах [4] в широкой области температур и концентраций допирующего элемента х.
Наиболее интенсивно экспериментальные исследования в манганитах велись в области, так называемого, оптимального допирования х ~ 0.2-гО.З, в которой наблюдались максимальные значения магнето-сопротивления. Многие исследователи пытались улучшить теоретиче-
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ) БИБЛИОТЕКА .1
ское описание манганитов в этой области, дополняя картину двойного обмена каким-либо механизмом, ведущим к локализации носителей заряда. В частности, предпринимались попытки описать переход металл-изолятор как андерсоновский переход [5], вызванный недиагональным беспорядком, вносимым разупорядочением спинов. В другом подходе возникновение диэлектрического состояния рассматривали как переход от решеточных поляронов большого радиуса к поляронам малого радиуса [б]. В тоже время многочисленные аналитические [7] и численные расчеты [8\ показали, что возникновение фазово-расслоенного состояния в широкой области параметров характерно для модели двойного обмена даже без включения каких-либо дополнительных механизмов.
Численные расчеты по методу Монте-Карло, нейтронографические и ЭПР-исследоваиия, а также измерения методом электронной микроскопии убедительно свидетельствуют о наличии в манганитах мелкомасштабного расслоения на фазы. Кроме того, при температурах выше перехода в магнитоупорядоченное состояние также имеются многочисленные экспериментальные указания на возникновение неоднородной фазы (статических ферромагнитных флуктуации малого размера в парамагнитной матрице). Таким образом, в настоящее время большинство исследователей сходятся во мнении, что причину уникальных свойств манганитов следует искать прежде всего во влияния фазового расслоения на их характеристики. Однако, из-за сложности численного моделирования в литературе отсутствовали ясные предсказания транспортных характеристик в фазово-расслоенном состоянии. Актуальность данной работы состоит как раз в том, что в достаточно простой наглядной модели удается аналитически получить температурные и полевые зависимости сопротивления и магнетосопротивления в фазово-расслоенной диэлектрической области.
Научная новизна работы состоит в решении задачи о транспортных свойствах манганитов в диэлектрической фазе в рамках модели, учитывающей наличие малых ферромагнитно-коррелированных областей в непроводящей матрице. В рамках этой модели найдены температурная и полевая зависимости сопротивления, магнетосопротивле-
ния и амплитуды 1// шума. Кроме того, в диссертации исследован вопрос об устойчивости простейшего автолокализованного состояния носителей в антиферромагнитной матрице (ферронов) в области низких температур.
Анализ транспортных свойств опирается на картину проводимости, впервые предложенную в работе [9]. Суть этой картины состоит в следующем: имеется неферромагнитная диэлектрическая матрица, в которую вкраплены металлические ферромагнитные капли малого размера. Поскольку собственная подвижность капель мала, перенос заряда осуществляется путем туннелирования носителей заряда с капли на каплю. Вероятность туннелирования зависит, вообще говоря, от приложенного магнитного поля. Рассматривается случай, когда капли не перекрываются и система далека от порога перколяции. Каждый новый носитель, туннелирующий на каплю, испытывает кулоновское отталкивание со стороны уже имеющихся на капле носителей заряда. Энергия этого отталкивания V предполагается достаточно большой (V > квТ). В простейшем случае каждая ферромагнитная капля содержит в основном состоянии лишь по одному носителю заряда, тогда главный вклад в проводимость вносят процессы с участием пустых капель и капель, содержащих 1 или 2 носителя. Соответствующая формула для сопротивления р{Т) имеет вид
р~Техр(У/2квТ). (1)
Сопротивление (1) имееттермоактивационный характер, при этом роль энергии активации играет половина энергии кулоновского отталкивания. Отметим, что такое поведение сопротивления напоминает механизм кулоновской блокады в мезоскопической физике.
Предложенная картина проводимости позволяет изучить поведение магнетосопротивления MR(H) = \р{Н) — р(0)]/р(Н) в достаточно широком интервале полей и температур. В области больших полей основной вклад в магнетосопротивление происходит из-за уменьшения величины кулоновского отталкивания К двух носителей, локализованных на одной капле. При приложении внешнего магнитного поля радиус ферромагнитной капли R(H) растет, что, естественно,
приводит к уменьшению энергии взаимодействия носителей в капле V(H) « e2/eR(H), где є - диэлектрическая проницаемость среды. Указанный механизм ведет к экспоненциальному росту магнетосопро-тивления MR(H) ~ ехр(СН/кТ), где С - численный множитель, не зависящий от температуры и величины поля. Расчеты показывают, что при значениях параметров, характерных для манганитов, указанный механизм реализуется в больших полях Н > ЮТ.
В меньших магнитных полях определяющим становится вклад в магнетосопротивление от эффекта спин-зависящего туннелирования. Благодаря большому хундовскому взаимодействию, спин электрона проводимости выстраивается по направлению большого магнитного момента капли, поэтому вероятность туннелирования носителя с капли на каплю будет зависеть от взаимной ориентации магнитных моментов капель. Ориентация ферромагнитно коррелированных областей вдоль магнитного поля приводит к повышению вероятности перехода и, тем самым, к снижению сопротивления с ростом магнитного поля. В результате магнетоспоротивление ведет себя по закону
.,„,„* АН2 ВНаН2
где А и В - константы, не зависящие от температуры и поля, На - поле анизотропии. Экспериментальное подтверждение зависимости MR(H) ос Н2/Тъ в случае сильно-анизотропных слоистых манганитов содержится в работе [10].
Описанная модель проводимости позволяет также изучить поведение амплитуды шумов в манганитах в фазово-расслоенной области. Характерной чертой манганитов является аномально большое значение 1// шума [11], причем амплитуда шумов велика не только в точке перехода Тс, но и в парамагнитной области выше точки фазового перехода. В нашей модели спектральная плотность шумов определяется флуктуациями термодинамических величин, входящих в общее выражение для проводимости. Можно выделить три процесса, дающих вклад в спектральную плотность шумов: флуктуации числа носителей в ферромагнитных каплях, флуктуации направлений магнтных моментов капель, и наконец флуктуации размеров капель. Указанные
процессы приводят к спектру шумов хорошо описываемому законом 1// (где / - частота) для широкого интервала частот, и дают значение амплитуды шумов, на 4-5 порядков превосходящие соответствующие значения для однородных полупроводниковых и диэлектрических систем.
Модель одноэлектронных ферромагнитных капель качественно правильно описывает поведение манганитов в области малых концентраций допирующего элемента, однако её непосредственное применение в парамагнитной фазе к области оптимального допирования х ~ 0.2 -~ 0.3 (где проводится большинство экспериментов) затруднительно. Действительно, если бы каждый феррон содержал лишь по одному носителю, то ферромагнитные капли заведомо бы перекрывались при х > 0.2 и электроны равномерно распределялись бы по образцу. Однако, даже в высокотемпературной парамагнитной области состояние манганитов может быть неоднородным. Анализ экспериментальных данных показывает, что в области высоких температур поведение сопротивления, магнетосопротивления и магнитной восприимчивости довольно схоже для широкого спектра манганитов с различным низкотемпературным состоянием и химических составом. При этом магнетосопротивление вдали от ФМ-АФМ перехода даже в парамагнитной области оказывается достаточно большим. Кроме того, величина магнитной восприимчивости манганитов в парамагнитной фазе заметно выше, чем у обычных парамагнетиков. Данные экспериментальные факты свидетельствуют в пользу существования заметных ферромагнитных корреляций и в высокотемпературной парамагнитной области. В связи с этим представляется актуальным обобщить рассмотренную ранее модель проводимости на случай произвольного количества электронов в ферромагнитно-коррелированных областях. По-видимому, в этой области концентраций лишь часть носителей находится внутри ферромагнитных капель, в то время как оставшаяся часть носителей локализована в парамагнитной матрице. В результате возникает возможность описать в рамках единой модели особенности поведения сопротивления, магнетосопротивления и магнитной восприимчивости манганитов в неметаллическом состоянии. Сравнение теоретических результатов с
экспериментальными данными позволяет выявить основные характеристики ферромагнитно-коррелированных областей. В результате оказывается, что высокотемпературное поведение манганитов также может быть описано в рамках достаточно простой модели неоднородного состояния, предложенной в работе.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют сделать конкретные теоретические предсказания по поведению манганитов в фазово-расслоенной диэлектрической фазе. Исследования, составляющие предмет диссертации, расширяют представления о влиянии фазового расслоения на транспортные свойства манганитов и приводят к предсказанию нетривиальных температурных и полевых зависимостей сопротивления и амплитуды 1// шума в этих веществах. Практическая ценность работы определяется возможностью использования фазово-расслоенных манганитов для магнитозаписи и для создания компьютеров нового поколения.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на:.
Московском международном симпозиуме по магнетизму MISM-2002 (Москва; Россия, 2002 г.)
Международном симпозиуме по сильно-коррелированным электронам в новых материалах SCENM02 (Лафборо, Великобритания, 2002 г.)
Международной конференции по физике низких температур LT23 (Хиросима, Япония, 2003 г.)
Всероссийском совещания по физике низких температур НТЗЗ (Екатеринбург, Россия, 2003 г.)
Международной конференции по магнетизму ЮМ 2003 (Рим, Италия, 2003г.)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации состав-
ляет 72 страницы машинописного текста и включает в себя основной текст, список литературы из 70 наименований и 12 рисунков.
