Notícias

May 24, 2023

Pressão

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9647 (2022) Citar este artigo

907 acessos

3 Citações

2 Altmétrica

Detalhes das métricas

As transições de isolador para metal de Mott induzidas por pressão são frequentemente acompanhadas por um colapso das interações magnéticas associadas à deslocalização de elétrons 3d e transição de estado de spin alto para spin baixo (HS-LS). Aqui, abordamos uma longa controvérsia sobre o comportamento de alta pressão de um isolador de Mott arquetípico FeBO3 e mostramos a insuficiência de uma abordagem teórica padrão assumindo uma transição HS-LS convencional para a descrição das propriedades eletrônicas dos isoladores de Mott em altas pressões. Usando medições de difração de raios X de alta resolução suplementadas por espectroscopia Mössbauer até pressões ~ 150 GPa, documentamos um estado eletrônico incomum caracterizado por um estado HS/LS "misto" com uma taxa de abundância estável realizada na \(R\overline{ 3 }c\) estrutura cristalina com um único sítio de Fe dentro de uma ampla faixa de pressão de ~ 50–106 GPa. Nossos resultados implicam uma natureza não convencional cooperativa (e provavelmente dinâmica) da ordenação dos sítios HS/LS Fe distribuídos aleatoriamente na rede, resultando na frustração dos momentos magnéticos.

As transições de fase eletrônicas e magnéticas induzidas por pressão em compostos de metais de transição 3D têm sido um tópico de pesquisa amplamente difundido nas últimas décadas, sendo especialmente relevante para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura, transições metal-isolante, magnetorresistência colossal e comportamento de férmions pesados1, 2,3,4. À pressão ambiente, muitos desses compostos pertencem à ampla classe de isoladores de Mott5, cujo comportamento é resultado de forte repulsão de Coulomb no local entre os elétrons 3d que não é mitigada pela faixa restrita de energias cinéticas disponíveis para a banda 3d estreita sistema. Uma das transformações eletrônicas mais fascinantes em tais compostos é a quebra da localização do elétron 3d, resultando em uma transição de fase de isolador para metal de Mott (IMT), que geralmente é acompanhada por um colapso das interações magnéticas1,2. O Mott IMT tem sido objeto de numerosos estudos de alta pressão, particularmente de óxidos contendo ferro (6 e ref. aí), usando espectroscopia Mössbauer (MS) convencional e baseada em síncrotron em combinação com células de bigorna de diamante (DACs) técnicas7. O conceito inicial de Mott é baseado em uma importância relativa de salto cinético e repulsão de Coulomb no local dos elétrons 3d. No entanto, além disso, foi proposto que uma mudança na divisão do campo cristalino ou uma diminuição da força de interação efetiva causada por um cruzamento de spin alto para baixo (HS-LS) pode conduzir a uma transição Mott-Hubbard8, 9,10,11,12. Como resultado, a transição de Mott é acompanhada por uma transição simultânea de isolador para metal e estado de spin local, resultando em um colapso do volume da rede. Em compostos férricos, uma faixa de pressão típica do cruzamento HS-LS para íon Fe3+ em um ambiente octaédrico ~ 40–60 GPa6,11,12,13 e, consequentemente, acima dessa pressão, o material geralmente é um metal ou um semicondutor de gap estreito, transformando-se em metal após compressão adicional9,10,11,12. No entanto, cálculos teóricos recentes implicam que em muitos casos podem surgir cenários mais complexos, diferentes dos modelos geralmente aceitos de uma transição HS-LS, sugerindo uma importância crucial dos efeitos de correlação na compreensão das transformações eletrônicas/magnéticas sob pressão14,15,16.

O borato de ferro, FeBO3, é um dos poucos materiais que são transparentes em uma ampla faixa de luz visível e possuem uma magnetização espontânea à temperatura ambiente, o que o torna atraente em aplicações para dispositivos magneto-ópticos de luz visível ou de raios-x17. É um antiferromagneto inclinado com temperatura de Néel TN ~ 348 K e ferromagnetismo fraco18. A espectroscopia óptica mostra que FeBO3 é um isolador de Mott com um grande intervalo de energia de ~ 2,9 eV (19 e ref. aí). Formalmente, o FeBO3 pode ser considerado como parte de uma família FeXO3 mais geral (por exemplo, FeFeO3, FeGaO3, etc.), com o íon férrico Fe3+ desempenhando um papel importante na determinação das propriedades eletrônicas e magnéticas do FeXO3. Recentes estudos extensivos de alta pressão de FeBO3 revelam que, semelhante a muitas outras ferritas, nas proximidades de ~ 50 GPa ele sofre uma transição de fase isoestrutural corroborando com uma redução significativa do volume da rede e coincidindo com um colapso magnético abrupto e um isolador de Mott transição -para-semicondutor19,20,21,22. No entanto, notamos que FeBO3 mostra algumas características muito específicas após uma transição HS-LS afirmada em ~ 50 GPa21,22. Mais notavelmente, exibe um comportamento não metálico aparentemente resiliente acima de 100 GPa19. Este comportamento é diferente, por exemplo, para FeGaO3 e Fe2O3, que exibem a transição de Mott controlada por largura de banda clássica em ~ 50 GPa, caracterizada por um colapso completo das interações magnéticas23 e um Mott IMT seletivo de local em uma faixa de pressão semelhante24,25, respectivamente. A este respeito, FeBO3 e seu comportamento de alta pressão é de particular interesse como um possível exemplo de material que documenta diferentes mecanismos para transições eletrônicas.