Magnetismo interfacciale su scala atomica e origine dei metalli

Jul 04, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5056 (2023) Citare questo articolo

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Il magnetismo interfacciale e la transizione metallo-isolante nelle interfacce di ossido basate su LaNiO\(_3\) hanno innescato intensi sforzi di ricerca, a causa delle possibili implicazioni nella futura progettazione e ingegneria dei dispositivi eterostruttura. L'osservazione sperimentale manca in alcuni punti di un supporto dal punto di vista atomistico. Nel tentativo di colmare tale lacuna, indaghiamo con la presente le proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche dei superreticoli (LaNiO\(_3\))\(_n\)/(CaMnO\(_3\))\(_m\) con variabili LaNiO\(_3\) spessore (n) utilizzando la teoria del funzionale della densità incluso un termine Coulomb efficace in loco di tipo Hubbard. Catturiamo e spieghiamo con successo la transizione metallo-isolante e le proprietà magnetiche interfacciali, come gli allineamenti magnetici e i momenti magnetici del Ni indotti che sono stati recentemente osservati sperimentalmente nelle eterostrutture a base di nichel. Nei superreticoli modellati nel nostro studio, si trova uno stato isolante per n=1 e un carattere metallico per n=2, 4, con il contributo maggiore degli stati 3d di Ni e Mn. Il carattere isolante trae origine dall'effetto di disordine indotto da repentini cambiamenti di ambiente per gli ottaedri all'interfaccia, ed associato a stati elettronici localizzati; d'altra parte, per n più grandi, stati interfacciali meno localizzati e una maggiore polarità degli strati LaNiO\(_3\) contribuiscono alla metallicità. Discutiamo di come l'interazione tra l'interazione del doppio e del superscambio attraverso complesse ridistribuzioni strutturali e di carica si traduca nel magnetismo interfacciale. Mentre i superreticoli (LaNiO\(_3\))\(_n\)/(CaMnO\(_3\))\(_m\) sono scelti come prototipo e per la loro fattibilità sperimentale, il nostro approccio è generalmente applicabile per comprendere i ruoli complessi di stati interfacciali e meccanismo di scambio tra ioni magnetici verso la risposta complessiva di un'interfaccia magnetica o superreticolo.

Le perovskiti sono tra i materiali funzionali più popolari nei campi di ricerca della fisica della materia condensata e della scienza dei materiali e spesso utilizzati per applicazioni nella nanotecnologia1, 2. La somiglianza nella loro composizione chimica e nella coordinazione ionica (con poche differenze) ha contribuito a un'enorme comprensione della loro proprietà generali da una prospettiva teorica. Inoltre, tecniche di crescita efficienti per gli ossidi di perovskite, come lo sputtering di magnetron a radiofrequenza3, la deposizione laser pulsata4 e l'epitassia a fascio molecolare5 hanno aumentato la popolarità di questa classe di materiali nello sviluppo di applicazioni nel campo dell'immagazzinamento/raccolta di energia e nel campo dell'informazione, dando vita a ricerche significative interesse6,7,8. Ciò offre numerose possibilità anche nella nuova progettazione e nella modifica delle interfacce della perovskite, uno strumento primario per sfruttare tutto il potenziale di questa classe di materiali e per accedere a un'ampia gamma di funzionalità e a nuovi stati fondamentali sull'interfaccia.

La mancanza di stechiometria e/o simmetria di inversione su superfici o interfacce, mescolanza di cationi, drogaggio, deformazione epitassiale o pressione applicata possono indurre o regolare il magnetismo all'interfaccia, con un possibile accoppiamento tra questi difetti localizzati e lo stato magnetico. Ad esempio, il magnetismo interfacciale nei superreticoli LaMnO\(_3\)/SrMnO\(_3\)9, CaRuO\(_3\)/CaMnO\(_3\)10, BiMnO\(_3\)/SrTiO\(_3\) 11 e superreticoli LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\)12, gas elettronico bidimensionale in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\)13, metallicità in LaTiO\(_3\)/SrTiO\( _3\)14, distorsione di scambio nei superreticoli LaNiO\(_3\)/LaMnO\(_3\)15, disadattamento polare nei superreticoli LaNiO\(_3\)/CaMnO\(_3\)16, ordine orbitale in LaMnO Recentemente sono stati trovati superreticoli \(_3\)/SrMnO\(_3\)17. Sebbene questi esempi possano suggerire un ruolo importante dei gradi di libertà elettronici nel verificarsi dei fenomeni esotici sopra menzionati, la ricerca dell’ultimo decennio ha ampiamente dimostrato che è necessario effettuare un’analisi approfondita per comprenderne le origini (vedi, ad esempio, il caso dell'interfaccia LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) e una recente analisi di Yu e Zunger18).