Övergångsmetallperovskitoxider uppvisar flera önskvärda egenskaper, inklusive högtemperatursupraledning och elektrokatalys. Nu, forskare vid Tokyo Institute of Technology utforskar strukturen och egenskaperna hos en perovskitoxid, PbFeO ₃ , i väntan på den ovanliga laddningsfördelningen och exotiska magnetiska övergångar som visas av sådana system. De rapporterar två av de magnetiska övergångarna, med en distinkt övergång över rumstemperatur och undersöka dess orsaker, öppna dörrar för potentiella tillämpningar för att förverkliga nya spintronic-enheter.

Tillkomsten av elektronik har revolutionerat våra liv i en omfattning där det är omöjligt att föreställa sig vår dag utan att förlita sig på en elektronisk enhet i någon form. Vad som är ännu mer anmärkningsvärt, dock, är att vi kan förbättra dessa enheter ytterligare genom att utnyttja elektronens "snurr" - en egenskap som gör att elektronen beter sig som en magnet - för att skapa minnesenheter som är snabbare och använder lägre effekt än traditionell elektronik. Följaktligen, fältet ägnat åt denna strävan, passande kallad 'spintronics, ' förlitar sig på att utnyttja elektronens "snurrtillstånd". Dock, att kontrollera spinn kan vara extremt knepigt, ett faktum som ofta leder forskare på jakt efter material med ordnade spinntillstånd.

Deras uppmärksamhet har nyligen vänts mot blybaserade övergångsmetallperovskitoxider, en klass av material som representeras av PbMO ₃ (där M indikerar 3d övergångsmetalljon), som visar ganska intressanta fasövergångar i spinntillstånd, gör dem tilltalande för praktiska tillämpningar.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturkommunikation , ett team av forskare från Kina, Japan, Taiwan, Schweiz, Tyskland, Frankrike, och U.S.A., undersökte perovskitoxiden PbMO ₃ , en förening som hittills har undgått inspektion, på grund av svårigheter med att syntetisera prover och lösa upp dess kristallstruktur. "Perovskitfamiljen av PbMO3 uppvisar komplexa laddningsfördelningar och RFeO ₃ (R =sällsynta jordartsmetaller) visar flera intressanta spinnrelaterade egenskaper, såsom laserinducerad ultrasnabb snurrorientering, så vi förväntar oss liknande karakteristisk laddningsfördelning och rika spin-state-övergångar för PbMO ₃ , " kommenterar prof. Masaki Azuma från Tokyo Institute of Technology, Japan och prof. Youwen Long från Chinese Academy of Science, som ledde studien.

Följaktligen, teamet undersökte strukturen, laddningstillstånd, och magnetiska egenskaper hos PbMO ₃ använda en mängd olika karaktäriseringstekniker och backade upp deras observationer med densitetsfunktionella teorin (DFT) beräkningar.

Teamet fann att PbMO ₃ kristalliserades till ett unikt "laddningsordnat" tillstånd där ett lager av Pb2+-joner interfolierades av två lager bestående av en blandning av Pb ²⁺ och Pb ⁴⁺ joner i förhållandet 3:1, längs lagrets staplingsriktning. Vid kylning av provet från hög temperatur, teamet observerade två distinkta magnetiska fasövergångar:en svag ferromagnetisk övergång som inträffade vid 600 K (327 °C) kännetecknad av en "kantad antiferromagnetisk" spinnordning (motsatt riktade närliggande spinn), och en kontinuerlig spinnomorientering (SR) övergång vid 418 K (145°C).

SR-övergången, även om det är vanligt i alla RFeO ₃ perovskites, stack ut i det här fallet eftersom det inträffade vid en mycket högre temperatur jämfört med andra perovskiter, och till skillnad från R-Fe magnetiska interaktioner som vanligtvis identifieras som orsaken till denna övergång, det fanns ingen sådan motsvarighet i fallet PbMO ₃ . För att lösa gåtan, forskare vände sig till DFT-beräkningar, som avslöjade att den unika avgiftsbeställningen i PbMO ₃ ledde till bildandet av två Fe ³⁺ subgitter med konkurrerande energier som, i tur och ordning, orsakade den säregna SR-övergången.

Teamet är stolta över dessa resultat och deras konsekvenser för framtida ansökningar. "Vårt arbete ger en ny väg för att studera laddningsorderfasen och den distinkta SR-övergången med potentiella tillämpningar i spintroniska enheter på grund av den höga övergångstemperaturen och möjlig inställning, " anmärker den teoretiska teamledaren, Prof. Hena Das.

En sak är säker – vi är ett steg närmare att göra spintronics till morgondagens verklighet.