U novom radu naši kolege Nikolina Novosel, Tomislav Ivek, Silvia Tomić i Matija Čulo su u suradnji s kolegama sa Sveučilišta u Zagrebu te sa znanstvenicima iz Slovenije i Njemačke pokazali da slavni kolosalni magnetootpor suprotno uvriježenom mišljenju postoji i u slabo istraženom dijelu faznog dijagrama (La,Ca)MnO3 manganita s uređenjem naboja, kao i da njegov iznos poprima enormne vrijednosti, daleko veće nego u dijelu faznog dijagrama gdje je originalno otkriven.
Članak je objavljen u časopisu Physical Review B, DOI: 10.1103/PhysRevB.111.115107
Manganiti su materijali koji se intenzivno istražuju zbog jakog sprezanja nabojnih, spinskih, orbitalnih i stupnjeva slobode rešetke. Veliki interes za njih potaknulo je otkriće kolosalnog magnetootpora (CMR) 1994. godine, jer smanjenja električne opornosti može doseći vrijednosti i do 105 %, dok je u konvencionalnim materijalima tek nekoliko posto. CMR efekt je karakterističan za dio faznog dijagrama manganita s feromagnetskim (FM) metalnim osnovnim stanjem, a vjeruje se da je za efekt ključna fazna separacija u FM metalna i paramagnetska izolatorska područja (Slika 1).
Slika 1. Konvencionalni fazni dijagram La1-xCaxMnO3. PM označava paramagnetsku fazu, FM feromagnetsku fazu, CO fazu uređenja naboja, AFM antiferomagnetsku fazu, a CAFM nagnutu antiferomagnetsku fazu. Kolosalni magnetootpor (CMR) se javlja u blizini Curieve temperature i metal-izolatorskog prijelaza.
U novom istraživanju, znanstvenici su se fokusirali na fazni dijagram manganita s antiferomagnetskim (AFM) izolatorskim osnovnim stanjem i uređenjem naboja (CO). Magnetotransportna mjerenja na tankim filmovima La1-xCaxMnO3 (x = 0.5-0.75) u temperaturnom intervalu 1.5-300 K i magnetskim poljima do 16 T otkrila su značajan CMR efekt u CO/AFM izolatorskoj fazi, suprotno konvencionalnim predodžbama. Posebno je zamjetan uzorak s x = 0.58, kod kojeg CMR efekt u polju od 16 T na niskim temperaturama doseže gotovo 10^12%, više nego u FM metalnoj fazi gdje je CMR prvotno opažen (Slika 2).
Komplementarna magnetska mjerenja pokazala su prisutnost nasumično orijentiranih FM i AFM klastera, čiji se omjer mijenja s dopiranjem Ca (Slika 3). Opaženi CMR efekt pripisuje se utjecaju magnetskog polja na rast i usmjeravanje FM klastera, koji pri visokim poljima mogu formirati perkolacijski metalni put. Maksimalni CMR efekt zabilježen je za x = 0.58, gdje je udio FM klastera optimalan: dovoljno mali da uzorak izvan polja bude izolatorski, ali dovoljan da u magnetskom polju dođe do metalizacije.
Slika 2. Temperaturna (T) ovisnost električne otpornosti (ρ) u različitim vrijednostima primijenjenog magnetskog polja za uzorak tankog filma La1-xCaxMnO3 s x = 0.58. CMR efekt na niskim temperaturama doseže nevjerojatne vrijednosti od skoro 1012% u najvišem polju 16 T, a izračunat je na temelju standarnog izraza [ρ(16 T) – ρ(0)]/ρ(16 T), gdje je ρ(16 T) otpornost u najvišem polju 16 T, a ρ(0) otpornost izvan magnetskog polja. Vrijednosti CMR efekta za sve proučavane uzorke je prikazana u umetku.
Slika 3. Krivulje magnetske histereze za uzorke tankih filmova La1-xCaxMnO3 s x = 0.5 (ljubičasta), x = 0.52 (tamna cijan), x = 0.58 (plava), x = 0.62 (crvena), x = 0.66 (zelena) i x = 0.75 (siva) na T = 2 K. Vrijednosti magnetizacije M su izražene u jedinicama μB/Mn, gdje je μB Bohrov magneton. Sve krivulje magnetizacije saturiraju na vrijednostima koje su znatno niže od teorijske vrijednosti za potpunu saturaciju Mn iona. Iz omjera ovih eksperimentalnih vrijednosti saturacije Msatexp i teorijske vrijednosti Msatth može se procjeniti udio FM komponente f, koji je kao funkcija od x prikazan u umetku.
Analiza vodljivosti u CO/AFM fazi ukazala je na mehanizam preskakanja promjenjivog dosega (VRH), pri čemu VRH aktivacijska energija snažno ovisi o magnetskom polju i doseže maksimum za x = 0.62, gdje je temperatura CO faznog prijelaza najviša. Rezultati ukazuju na značajnu ulogu fazne separacije u vodljivim svojstvima manganita, nudeći novi uvid u mehanizam CMR efekta i složenu fiziku ovih materijala.