Колоссальное магнетосопротивление возникает, когда при определенных температурах формируются нанокластеры

Исследователи из Департамента энергетики (Department of Energy’s, DOE) США Брукхейвенской национальной лаборатории и Университета Сан-Франциско-де-Кито в Эквадоре обнаружили, что при подходящих температурах формируются нанокластеры и улучшают электрическую проводимость определенные оксидных материалов. Эта работа может быть использована в ряде промышленных приложений, включая спинтронику, которые используют электрические и магнитные свойства для использования в твердотельной электронике. Выводы исследователей появятся в Трудах Национальной академии наук в течение недели от 12 декабря 2011 года.

Необычно большое изменение электрического сопротивления в присутствии магнитного поля, наблюдающееся в некоторых оксидных материалах, представляет собой явление, известное как колоссальное магнетосопротивление. У окисей, использованных в этом исследовании, атомы имеют определенное расположение. Ученые обнаружили, что при некоторых температурах, в магнитном поле формируются нанокластеры, размером приблизительно в 10 атомов. Эти нанокластеры обладают электронными свойствами, отличными от целого материала и имеют важное значение для возникновения колоссального магнетосопротивления.

"До сих пор ученые могли только догадываться о роли нанокластеров в формировании колоссального магнетосопротивления. Наша работа, выявившая нанокластеры с улучшенной проводимостью, является большим шагом в понимании этого явления и фундаментальных законов материалов", сказал брукхейвенский физик Цзин Тао, ведущий автор статьи.

"Когда мы охлаждали образцы от комнатной температуры до приблизительно 250 Кельвинов (-23 градусов по Цельсию), обнаружили, что появилось колоссальное магнетосопротивление, поскольку сформировались нанокластеры и стали плотнее", объяснил Цзин. "Мы видели, что нанокристаллы сформировались и включили кристалл в цепь, и весь материал стал проводящим".

Эти нанокластеры, как полагали, выступали только в качестве изоляторов с различными магнитными свойствами, добавил Цзинь. Эта работа показывает, что эти свойства зависят от температуры. В присутствии магнитного поля и при надлежащей температуре, нанокластеры становятся проводящими и ферромагнитными, что способствует возникновению колоссального магнетосопротивления.

Для этого исследования ученые из Университета Сан-Франциско-де-Кито в Эквадоре вырастили кристалл манганита - оксид марганца, легированный с различными количествами кальция и редкоземельных металлов лантана. Брукхейвенские ученые затем бомбардировали кристаллы пучками электронов большой мощности, с помощью Лабораторного просвечивающего электронного микроскопа (Lab’s Transmission Electron Microscope), для изучения их свойств. Ученые проанализировали пути прохождения электронов через кристалл и уровни их энергии, чтобы определить такие свойства, как структура и магнетизм, а также роль нанокластеров в появлении колоссального магнетосопротивления.

«Благодаря уникальным инструментам Брукхейвена, мы обнаружили новый уровень сложности в материале с колоссальным магнетосопротивлением", сказал Тао. "Теперь мы знаем, что формирование этих нанокластеров включает колоссальное магнетосопротивления при определенных температурах, но мы еще не знаем, почему и как они взаимодействуют с материалом в целом".

"В будущем, когда мы узнаем больше о нанокластерах, например, детали их строение и заряжены ли они, мы сможем приступить к улучшению электрических характеристик этих материалов".