office@icp.ac.ru
+7 496 522-51-64
В физике конденсированного состояния уже никого не удивишь тем, что лёгкие органические молекулы могут давать не менее сложную электронную картину, чем традиционные неорганика. Особенно это касается соединений на основе BEDT-TTF, образующих квазидвумерные металлические слои. Меняя анионный слой (скажем, заменяя группу (SCN)₂Br), прикладывая давление или магнитное поле, можно управлять электронными состояниями — от обычного металла до изолятора Мотта и даже сверхпроводника.
Недавно в Physical Review B вышла работа коллектива ученых из Черноголовки нескольких институтов РАН (Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау, Институт физики твердого тела и Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии), в которой сообщается об удивительном эффекте в соединении κ-(BEDT-TTF)₂Hg(SCN)₂Br. Эффект — гигантское магнетосопротивление с огромным гистерезисом — возникает в узкой области давлений у границы перехода Мотта и тесно связан со спиновым стеклом.
Справка: Гигантское магнетосопротивление
Гига́нтское магнетосопротивле́ние, гигантское магнитосопротивление, ГМС (англ. Giant magnetoresistance, GMR) — квантовомеханический эффект, наблюдаемый в тонких металлических плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и проводящих немагнитных слоёв. Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления такой структуры при изменении взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоёв. Направлением намагниченности можно управлять, например, приложением внешнего магнитного поля. В основе эффекта лежит рассеяние электронов, зависящее от направления спина. За открытие гигантского магнетосопротивления в 1988 году физики Альбер Ферт (Университет Париж-юг XI) и Петер Грюнберг (Исследовательский центр Юлих) были удостоены Нобелевской премии по физике в 2007 году.
Википедия
Исследователи сосредоточились на давлении около 3 кбар — интервал всего около 1 кбар. При низких температурах в этой узкой критической зоне поведение сопротивления во внешнем поле становится экстремальным. Главное наблюдение: величина магнетосопротивления достигает гигантских значений, но ещё важнее, что его зависимость от поля гистерезисна. То есть сопротивление при одном и том же поле различается — в зависимости от того, увеличивали мы поле или уменьшали. Материал «запоминает» предысторию намагничивания, но не в намагниченности (как ферромагнетик), а в электропроводности.
Обычно в таких случаях первым делом подозревают орбитальный механизм, связанный с искривлением траекторий электронов (эффект Лоренца). Однако авторы показали, что гистерезис изотропен по направлению поля — неважно, перпендикулярно слоям или параллельно. Это значит, что орбитальные эффекты здесь ни при чём. Причина кроется во внутренних корреляционных свойствах, а именно в спиновой подсистеме.
При низких температурах в этом материале возникает состояние спинового стекла: спины электронов замораживаются в случайных направлениях, создавая неоднородную и неэргодичную конфигурацию, которая очень чувствительна к температуре и полю и медленно релаксирует. Авторы выяснили, что температурная и полевая зависимость гистерезиса, а также характерное время «памяти» напрямую коррелируют с поведением спинового стекла. Иными словами, спиновое стекло и электронный транспорт сильно переплетены: изменение конфигурации замороженных случайных спинов под действием поля влечёт за собой изменение проводимости, причём это изменение сохраняется во времени.
Количественного описания эффекта авторы пока не дают — оно требует сложных численных расчётов из-за сильных корреляций, типичных для соединений вблизи перехода Мотта. Но предложена качественная модель, улавливающая суть: существует сильная зарядово-спиновая связь. В рамках этой модели гистерезис возникает как прямое следствие того, что спиновое стекло, меняя свою конфигурацию в магнитном поле, по-разному модулирует плотность состояний на уровне Ферми, а значит, и проводимость.
Важнейший вывод работы: это не частный случай известных механизмов. Перед нами прототип нового класса явлений экстремального магнетосопротивления, где ключевую роль играет именно гистерезис, вызванный замороженным спиновым беспорядком.
Работа заметно продвигает понимание сильно коррелированных электронных систем. В ней впервые показано, как в органическом металле вблизи квантового фазового перехода Мотта возникает гигантский отклик проводимости на магнитное поле — анизотропный по предыстории, но не по направлению поля. Эффект, обнаруженный в κ-(BEDT-TTF)₂Hg(SCN)₂Br при низких температурах и умеренных давлениях, открывает путь к поиску аналогичного поведения в других материалах с сильными корреляциями и склонностью к спиновому беспорядку. К тому же он может быть интересен для устройств памяти нового типа, где информация считывается не по намагниченности, а по сопротивлению.
В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: С. Песоцкий, Р. Любовский, С. Торунова
Pavel D. Grigoriev, S. I. Pesotskii, R. B. Lyubovskii, S. A. Torunova, D. S. Lyubshin, Vladimir N. Zverev // Giant hysteretic magnetoresistance accompanying the Mott transition and spin-glass state in the organic metal 𝜅