Пространственно-селективный переход Мотта диэлектрик-металл в Fe2O3 под давлением

 © И.В. Леонов

Переход диэлектрик-металл Мотта в твердых телах – резкое, как правило на несколько порядков, падение электрического сопротивления при изменении внешних факторов (давления, магнитного/ электрического поля, параметров легирования и т.д.) – представляет одно из наиболее сильных преобразований химической связи в веществе. Как результат, соединения в которых наблюдается переход Мотта обладают обширным многообразием фаз и эффектов упорядочения (спинового, орбитального и/или зарядового), а их физические свойства проявляют аномальную чувствительность к малым изменениям внешних параметров. С фундаментальной точки зрения это большой класс материалов, широко исследуемый в данный момент – к данному классу относятся оксиды переходных металлов, высокотемпературные сверхпроводники на основе меди и железа, соединения с колоссальным магнетосопротивлением, сегнетоэлектрики, магнетики и т.д.

Как было показано сэром H. Ф. Моттом (в последствии за данные исследования он был удостоен Нобелевской премии в 1977 г.), основополагающим явлением в таких соединениях является локализация d- или f-электронов – электроны становятся «немобильными», что приводит к формированию диэлектрического состояния Мотта. Под воздействием внешних факторов, к примеру, давления – уменьшения расстояния между атомами и, как следствие, увеличения электронной плотности и кинетической энергии электронов, приводящее к делокализации носителей – происходит переход диэлектрик-металл Мотта. Первоначальная концепция Мотта, однако, не включает в себя существование дополнительных степеней свободы (орбитальных, спиновых, электрон-решеточного взаимодействия и т.д.) играющих важную роль в реальных материалах.

В данной работе, в рамках объединенного теоретического и экспериментального исследования свойств гематита (оксида железа Fe₂O₃) было предложено совершенно новое объяснение фазового перехода диэлектрик-металл Мотта под давлением [1]. Фактически было описано новое состояние вещества, характеризующееся как свойствами металла, так и диэлектрика – пространственно-селективное состояние Мотта.

Гематит является одним из классических примеров диэлектрика Мотта. Описание физических свойства данного соединения представляет большой фундаментальный интерес как для понимания физики различных магнитно-структурных превращений вблизи металлизации системы под давлением (в магнитных/электрических полях, при легировании и т.д.), так и для геологии (геохимии и геофизики), т.к. Fe₂O₃ является одним из самых распространенных соединений недр Земли. При воздействии высоких давлений [в эксперименте использовались алмазные наковальни; проводились измерения электрического сопротивления, магнитного состояния (мессбауэровской спектроскопия) и кристаллической структуры (рентгеновская дифракция) в области давлений до 100 ГПа (до 1 млн атмосфер)] в Fe₂O₃ происходит переход диэлектрик-металл Мотта и связанный с ним частичный коллапс магнитного состояния ионов железа (при ~50 ГПа). Данное сложное поведение свойств гематита под давлением впервые было описано авторами в рамках теоретических вычислений [1]. В частности, была предложена новая микроскопическая модель перехода Мотта, получившая название пространственно-селективного перехода Мотта.

Главная неожиданность результата исследования заключается в том, что в одном кристалле Fe₂O₃ при сверхбольших давлениях возникает одновременно две атомно-кристаллические подрешетки ионов железа. При этом материал в одно и то же время обладает признаками металла (проводника) и диэлектрика – формируются две подрешетки железа с принципиально разными электронными и магнитными свойствами. Принципиально важно, что в рамках данной работы идет речь не только о гематите, а о целом классе оксидов, которые сегодня применяются в разных областях науки и техники, в частности, микро- и оптоэлектронике и т.д. Так же, новое знание о принципах фазового перехода Мотта может ответить на многие вопросы о недрах планеты.

Литература

E. Greenberg, I. Leonov, S.R Layek, Z. Konopkova, M. P. Pasternak, L. Dubrovinsky, R. Jeanloz, I. A. Abrikosov, and G. Kh. Rozenberg. Pressure-Induced Site-Selective Mott Insulator-Metal Transition in Fe₂O₃. Phys. Rev. X 8. 031059 (2018).

Краткая формула