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May 24, 2023

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Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9647 (2022) Citare questo articolo

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Le transizioni da isolante a metallo di Mott indotte dalla pressione sono spesso accompagnate da un collasso delle interazioni magnetiche associate alla delocalizzazione degli elettroni 3d e alla transizione dallo stato da alto spin a basso spin (HS-LS). Qui, affrontiamo una controversia di lunga data riguardante il comportamento ad alta pressione di un archetipo dell'isolante Mott FeBO3 e mostriamo l'insufficienza di un approccio teorico standard che presuppone una transizione HS-LS convenzionale per la descrizione delle proprietà elettroniche degli isolanti Mott ad alta pressione. pressioni. Utilizzando misurazioni di diffrazione di raggi X ad alta risoluzione integrate dalla spettroscopia Mössbauer fino a pressioni ~ 150 GPa, documentiamo uno stato elettronico insolito caratterizzato da uno stato HS/LS "misto" con un rapporto di abbondanza stabile realizzato nel \(R\overline{ 3 }c\) struttura cristallina con un singolo sito Fe entro un ampio intervallo di pressione di ~ 50–106 GPa. I nostri risultati implicano una natura cooperativa (e probabilmente dinamica) non convenzionale dell'ordinamento dei siti Fe HS/LS distribuiti casualmente sul reticolo, con conseguente frustrazione dei momenti magnetici.

Le transizioni di fase elettroniche e magnetiche indotte dalla pressione nei composti metallici di transizione 3D sono state un argomento di ricerca diffuso negli ultimi decenni, essendo particolarmente rilevanti per la comprensione della superconduttività ad alta temperatura, delle transizioni metallo-isolante, della colossale magnetoresistenza e del comportamento dei fermioni pesanti1, 2,3,4. A pressione ambiente molti di questi composti appartengono all’ampia classe degli isolanti Mott5, il cui comportamento è il risultato di una forte repulsione di Coulomb in loco tra gli elettroni 3d che non è mitigata dalla gamma ristretta di energie cinetiche disponibili per la stretta banda 3d sistema. Una delle trasformazioni elettroniche più affascinanti in tali composti è la rottura della localizzazione degli elettroni 3d con conseguente transizione di fase Mott isolante-metallo (IMT) che di solito è accompagnata da un collasso delle interazioni magnetiche1,2. L'IMT Mott è stato oggetto di numerosi studi ad alta pressione, in particolare sugli ossidi contenenti ferro (6 e rif. ivi), utilizzando la spettroscopia Mössbauer (MS) convenzionale e basata sul sincrotrone in combinazione con tecniche di celle a incudine di diamante (DAC)7. Il concetto iniziale di Mott si basa sull'importanza relativa del salto cinetico e della repulsione coulombiana in loco degli elettroni 3d. Tuttavia, in aggiunta, è stato proposto che un cambiamento nella suddivisione del campo cristallino, o una diminuzione della forza di interazione effettiva causata da un crossover da spin alto a basso (HS-LS) possa guidare una transizione Mott-Hubbard8, 9,10,11,12. Di conseguenza, la transizione di Mott è accompagnata da una simultanea transizione da isolante a metallo e da uno stato di spin locale, con conseguente collasso del volume del reticolo. Nei composti ferrici, un intervallo di pressione tipico del crossover HS-LS per lo ione Fe3+ in un ambiente ottaedrico ~ 40–60 GPa6,11,12,13 e di conseguenza al di sopra di questa pressione il materiale è solitamente un metallo o un semiconduttore a gap stretto, trasformandosi in metallo dopo ulteriore compressione9,10,11,12. Tuttavia, recenti calcoli teorici implicano che in molti casi possono emergere scenari più complessi, diversi dai modelli generalmente accettati di transizione HS-LS, suggerendo un'importanza cruciale degli effetti di correlazione nella comprensione delle trasformazioni elettromagnetiche sotto pressione14,15,16.

Il borato di ferro, FeBO3, è uno dei pochi materiali che sono trasparenti in un'ampia gamma di luce visibile e hanno una magnetizzazione spontanea a temperatura ambiente, che lo rende attraente nelle applicazioni per dispositivi magneto-ottici a luce visibile o a raggi X17. È un antiferromagnete inclinato con temperatura Néel TN ~ 348 K e ferromagnetismo debole18. La spettroscopia ottica mostra che FeBO3 è un isolante Mott con un ampio gap energetico di ~ 2,9 eV (19 e rif. ivi). Formalmente, FeBO3 può essere considerato come parte di una famiglia più generale di FeXO3 (ad esempio, FeFeO3, FeGaO3, ecc.), con lo ione ferrico Fe3+ che gioca un ruolo importante nel determinare le proprietà elettroniche e magnetiche di FeXO3. Recenti studi approfonditi ad alta pressione di FeBO3 rivelano che, analogamente a molte altre ferriti, in prossimità di ~ 50 GPa subisce una transizione di fase isostrutturale corroborata da una significativa riduzione del volume del reticolo e coincidente con un brusco collasso magnetico e un isolante di Mott transizione da -a semiconduttore19,20,21,22. Tuttavia, notiamo che FeBO3 mostra alcune caratteristiche molto specifiche a seguito di una transizione HS-LS affermata a ~ 50 GPa21,22. In particolare, mostra un comportamento non metallico apparentemente resiliente al di sopra di 100 GPa19. Questo comportamento è diverso, ad esempio, da FeGaO3 e Fe2O3 che mostrano la classica transizione Mott controllata dalla larghezza di banda a ~ 50 GPa, caratterizzata da un collasso completo delle interazioni magnetiche23, e un IMT Mott sito-selettivo a un intervallo di pressione simile24,25, rispettivamente. A questo proposito, FeBO3 e il suo comportamento ad alta pressione sono di particolare interesse come possibile materiale esemplificativo che documenta diversi meccanismi di transizioni elettroniche.