Studie enthüllt eine antiferromagnetische Metallphase in einem elektronendotierten Seltenerd-Nickelat

Forscher der Harvard University, des Lawrence Berkeley National Laboratory, der Arizona State University und anderer Institute in den Vereinigten Staaten haben kürzlich eine antiferromagnetische Metallphase in elektronendotiertem NdNiO3 beobachtet, einem Material, das als nicht-kollinearer Antiferromagnet bekannt ist (d antiferromagnetischer Ordnung, die mit einem Übergang in einen isolierenden Zustand einhergeht).

„Frühere Arbeiten zu den Nickelaten der seltenen Erden (RNiO3) haben festgestellt, dass sie eine ziemlich exotische Phase des Magnetismus beherbergen, die als ‚nichtkollinearer Antiferromagnet‘ bekannt ist“, sagten Qi Song, Spencer Doyle, Luca Moreschini und Julia A. Mundy, vier der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org .

„Dieser Magnettyp hat einzigartige potenzielle Anwendungen auf dem Gebiet der Spintronik, aber Seltenerd-Nickelate ändern sich bekanntermaßen spontan von metallisch zu isolierend bei genau der gleichen Temperatur, bei der diese nichtkollineare antiferromagnetische Phase eingeschaltet wird. Wir wollten sehen, ob wir sie irgendwie modifizieren könnten eines dieser Materialien so, dass es metallisch blieb, aber immer noch diese interessante magnetische Phase hatte.

Sicherzustellen, dass Seltenerd-Nickelate bei niedrigen Temperaturen metallisch bleiben, wo ihre antiferromagnetische Phase auftritt, würde letztendlich ihre Verwendung für die Entwicklung von spintronischen Geräten ermöglichen. In ihren Experimenten versuchten Song, Doyle, Moreschini, Mundy und ihre Kollegen, dies mit dem Seltenerd-Nickelat NdNiO3 zu erreichen.

Um das Material dazu zu bringen, seine antiferromagnetische Metallphase beizubehalten, ohne seinen Übergang in einen Isolator hervorzurufen, verwendeten sie Elektronendotierung, eine Technik zur Änderung der Anzahl von Elektronen in Materialien. Im Wesentlichen züchteten sie eine Reihe von NdNiO3-Proben, in denen sie unterschiedliche Mengen an Ceratomen anstelle von Neodymatomen hinzufügten, um dem System mehr Elektronen hinzuzufügen.

„Sobald wir diese Proben hatten, sammelten wir elektrische Transportmessungen, bei denen wir einen kleinen Strom durch jede Probe legten und den Widerstand maßen“, sagte Doyle. „Indem wir diese Messung durchführten, während wir die Temperatur der Probe änderten, konnten wir ableiten, ob die Probe in der magnetischen Phase metallisch oder isolierend war oder nicht.“

Um das Potenzial der elektronendotierten antiferromagnetischen Metallprobe zu demonstrieren, die sie für die Entwicklung von Spintronik-Geräten realisiert haben, hat das Team schließlich auch eine weitere Messung durchgeführt, die als „Nullfeld-Planar-Hall-Effekt“ bekannt ist. Vereinfacht gesagt kann mit dieser Messung überprüft werden, ob sich ein Material „erinnern“ kann, ob ein Magnetfeld an es angelegt wurde oder nicht, auch nachdem dieses Feld abgeschaltet wurde.

Diese Tests lieferten sehr vielversprechende Ergebnisse, da die von Doyle und seinen Kollegen hergestellten elektronendotierten Proben diesen „Memory-Effekt“ zeigten. Bemerkenswerterweise war der bei diesen Materialien beobachtete Effekt sehr stark im Vergleich zu dem, der typischerweise bei Antiferromagneten beobachtet wird.

„Wir haben eine neue Phase in der Familie der Nickelate geschaffen, die vorher nicht gesehen wurde. Die Schlüsseleigenschaft dieser Materialien ist, dass sie einen Metall-Isolator-Übergang haben, der mit einem magnetischen zusammenkommt, wie es oft vorkommt“, erklärte Moreschini . „Über dem Übergang haben Sie eine schwache oder keine magnetische Ordnung, und darunter haben Sie eine, in diesem Fall Antiferromagnetismus. In anderen früheren Studien war dieser Übergang unter bestimmten Bedingungen unterdrückt worden, aber zum ersten Mal ist es uns gelungen, sie zu entkoppeln : Der magnetische Übergang ist noch da, aber der Metall-Isolator-Übergang ist weg.“

Die von diesem Forscherteam vorgeschlagene auf Elektronendotierung basierende Strategie ermöglichte es ihnen, eine antiferromagnetische Metallphase in einem Seltenerd-Nickelat hervorzurufen. Unterhalb der Temperatur, bei der das Material in eine antiferromagnetische Phase übergeht, ist es immer noch ein Metall, wenn auch ein weniger leistungsfähiges Metall. Insgesamt handelt es sich bei ihren elektronendotierten Proben also um Metalle mit antiferromagnetischer Ordnung, eine Phase, die zuvor bei Nickelaten nicht beobachtet wurde.

In Zukunft könnte die aktuelle Studie von Song, Doyle, Moreschini, Mundy und ihren Kollegen neue und aufregende Möglichkeiten für die Entwicklung von Spintronikgeräten auf der Basis von Seltenerd-Nickelaten eröffnen. In ihrer nächsten Arbeit plant das Team, Strategien zu erforschen, die es ihnen ermöglichen würden, die Temperatur, bei der der Metall-Metall-Übergang dieser Seltenerd-Nickelate stattfindet, weiter zu erhöhen.

„Das ultimative Ziel ist natürlich, es ganz auf Raumtemperatur zu bringen, denn dort sollen Ihre Geräte funktionieren. Ehrlich gesagt sind die Nickelate im Moment noch weit davon entfernt, aber in einer breiteren Perspektive, was wir gelernt haben hier aus dieser neuen Phase kann hoffentlich die Konstruktion neuer Phasen in anderen Familien von Oxiden oder anderen Materialien im Allgemeinen leiten, wo diese Übergänge etwas näher an der Raumtemperatur stattfinden, und die elektronischen Korrelationen ein wenig optimieren, um ihnen den letzten Schub zu geben sie bei Zimmertemperatur“, sagen die Forscher.

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