mile米乐m6官网 预测不含磁性元素的磁性材料

米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）电子与光子技术研究部[Masahiko Mori，研究部主任]超导电子研究组 Izumi Hase，首席研究员，Takashi Yanagisawa，高级首席研究员，氧化物器件组，研究组组长 Yoshihiro Aiura 等磁性元件不包含烧绿石型氧化物锡₂NB₂O₇亚锡₂塔₂O₇(Sn：锡、Nb：铌、Ta：钽、O：氧)洞如果引入的话，就会出现表现出磁铁特性的铁磁性。

平带模型是完全铁磁，超导性，分数量子霍尔效应等独特物理特性的“奇迹模型”而受到关注。通常情况下，不含磁性元素的材料不会表现出铁磁性，但平带模型预测，即使它们不含磁性元素，也会表现出铁磁性。创造这种“从无到有”的关键有两个，一是晶体结构，二是适当的化学成分。然而，迄今为止，还没有能够实现该模型的真实材料被证明。

这次目标的氧化物晶体在里面烧绿石晶格的特征晶格另外，如果我们选择这次使用的化学成分并进一步引入空穴，我们可以用实际物质近似实现平带模型（伪平坦带) 和铁磁性的出现第一性原理计算这一发现将推进平带模型特性的实验验证，也有望在不含磁性元素的磁性材料中找到应用。

这项研究的详细内容可以参见美国物理学会2018年5月7日（美国时间）出版的学术期刊物理评论信

常规磁性材料与平带磁性材料的比较

在传统的磁性材料中，本身表现出磁性的磁性元素聚集在一起形成磁性材料，但在平带磁性材料中，本身不表现出磁性的非磁性元素形成如图所示的特征晶体结构并具有磁性。

为了实现先进的信息社会和低能耗社会，人们开发了许多磁性材料。然而，实际使用的强力磁铁都含有稀有元素，很多都含有日本很少生产的元素。此外，考虑到在车辆和客机中的使用，需要开发对环境影响低、重量轻且不含稀有元素的磁体。此外，在物联网时代（物体配备通信功能和传感器并连接到互联网），越来越需要与半导体器件同时集成和实现传感器和存储器等磁性器件。

AIST 一直在开发不含稀有磁性元素、重量轻且即使在大气中也稳定的磁性材料和超导体。然而，迄今为止所有磁性材料都利用了磁性元件固有的“磁体”，因此可以选择的元件仅限于重磁性元件。另一方面，我们也在高性能太阳能电池的开发方面取得进展，Sn₂NB₂O₇,锡₂塔₂O₇时，我们发现电子能带结构类似于“平带模型”。到目前为止，还没有发现这个理论模型所代表的真实物质，因此我们决定使用第一性原理计算来验证我们所针对的材料是否可以用平带模型来表示。这是因为平带模型预计会表现出许多有吸引力的物理特性，包括完美的铁磁性。

这项研究得到了独立行政机构日本学术振兴会科学研究补助金（基础研究 C，项目编号 26400379）的支持。

Sn，一种烧绿石型氧化物半导体₂NB₂O₇和 Sn₂他₂O₇，半导体的价带具有极窄的能量宽度能带（伪平坦带）出现。我们还对这些材料中引入空穴时进行了计算，结果表明它们在相当宽的空穴浓度范围内具有稳定的铁磁性（图1）。在引入空穴之前（δ=0），向上自旋带和向下自旋带不会分裂，并且具有相同的能量，因此向上自旋和向下自旋的数量变得相同，并且它们完全相互抵消，因此不产生磁性。另一方面，当引入空穴（δ≠0）时，平带分裂成向上自旋带和向下自旋带。此时，向上自旋带的能量变得低于向下自旋带的能量，并且向上自旋的数量变得大于向下自旋的数量，从而产生铁磁性。该图还表明，伪平带在向上自旋带中具有自旋，但在向下自旋带中没有自旋。通过在改变空穴浓度的同时重复相同的计算，我们得到了磁场强度（磁化强度）和空穴浓度之间的关系（图1（c））。研究发现，当引入空穴时，磁化强度与空穴数量成正比增加，但当超过一定浓度时，磁化强度迅速下降。

图 1：Sn2NB2O7态密度曲线和磁场强度

水平矩形包围的区域是伪平坦带。横轴表示向上旋转和向下旋转的数量。引入空穴后，空穴的数量不同，差异表现出磁性。磁性的强度取决于孔的数量。

通过理论分析，我们发现这种伪平带是由烧绿石晶格的特殊几何排列造成的。烧绿石晶格的几何特征是，如图2(a)所示，四个原子组成一个正四面体，通过共享顶点形成晶格。在这个晶格中，当电子只能在最接近的邻居之间移动时，就会出现平带。真实锡₂NB₂O₇中，原子存在于烧绿石晶格以外的位置，电子也可以移动到最近邻以外的原子，从而产生如图2(b)所示的复杂能带结构。然而，使用这个平带模型可以很好地描述基本部分。当此处引入空穴时，如上所述出现铁磁性。这种磁性是由于锡和氧等非磁性元素的极其罕见的电子态造成的，并且被认为与完全铁磁性密切相关，这与传统磁性材料中的磁性机制不同。

图 2：(a) 烧绿石晶格和 (b) Sn2NB2O7能带

特别是（b）中的红色部分是伪平带，该部分在铁磁化方面起着至关重要的作用。

这次预测的磁性材料不含有磁性元素。这一发现具有很大的学术意义，如果实现不含磁性元素的磁性材料，将有可能消除磁性元素的使用，而磁性元素通常与半导体工艺的兼容性较差，因此被认为是有前途的可用于半导体线路的新型磁性器件材料。

平带模型从理论上预测了多种创新的物理特性，但由于尚未发现该模型能够很好地代表的真实材料，因此人们的兴趣仍然停留在理论上。现在我们已经预测了一种可以用平带模型近似表示的真实材料，我们计划继续进行理论和实验研究，以演示不含磁性元素的铁磁材料、超导性和高温下分数量子霍尔效应。

◆磁性元件

电子在原子内的特定轨道上运行。在磁性元件中，能量最高的电子（称为价电子）部分占据称为 d 或 f 轨道的轨道。 d 和 f 轨道被原子牢牢束缚，很难跳跃到邻近的原子。因此，电子的微磁性（自旋）经常按原样出现，从而产生磁性。铁、钕就是典型的例子，还有很多重、稀有元素。另一方面，当价电子占据称为 s 或 p 轨道的轨道时，电子很容易跳跃到其他原子，并且通常不会发生磁性。此类元素称为非磁性元素。典型的例子是锡和氧。[返回来源]

◆烧绿石型氧化物

化学式A₂B₂O₇表示的一组氧化物，其中A位主要含有稀土元素和锡，B位主要含有过渡金属。仅提取位置A（或位置B）的晶格称为烧绿石晶格。[返回参考源]

◆洞

电子逃逸的空穴称为空穴。就像容器中的水一样，电子按照能量递减的顺序填充。例如，图1（a）或图2（b）中的灰色区域充满了电子。这里引入空穴意味着去除电子，相当于稍微降低上图中灰色区域顶部的“水位”。[返回来源]

◆能带、平带模型、（伪）平带

在量子力学中，电子具有波动性。一定的能量对应一定的波态（称为波数）。如果我们将波数绘制在水平轴上，将能量绘制在垂直轴上，我们可以绘制一条如图 2(b) 所示的曲线。这称为能带。
能带通常很复杂，因为存在具有相同波数的多个状态。在正常的晶格中，电子在晶格上的运动导致能带的色散（展宽）。电子越容易移动到邻近的原子，能带变得越宽，实现铁磁性就越困难。因此，为了实现铁磁性，必须使用电子不易移动的磁性元件。然而，在特殊的晶格（例如烧绿石晶格）中，由于电子波相互干扰，能带的色散可能变为零。这称为平带。由于不存在色散，人们预计会出现各种各样奇怪的物理性质。电子具有平带的晶格模型称为平带模型。晶格模型有多种类型，例如烧绿石晶格和kagome晶格。由于它是一个理论模型，所以它是理想化和简化的，因此计算公式很容易求解，并且对其进行了许多理论研究。完美铁磁性、高温超导性、分数量子霍尔效应等物理特性相继被预言，使其成为“奇迹模型”。
在实际材料中，能带中保留有小的色散，这称为伪平带。[返回来源]

◆（完美）铁磁性，自旋

电子所拥有的微磁体（自旋）通常有两种状态（称为向上自旋和向下自旋），但向上自旋和向下自旋数量不相等的状态称为铁磁性。这个条件可以通过铁等磁铁来实现。一般来说，带宽越窄，铁磁性的可能性就越大。在平带模型中，已经严格证明，在一定电子浓度下，即使电子之间存在少量排斥力，铁磁性也会变得稳定。这称为完美铁磁性。由于电子之间的排斥力可能很小，因此即使在通常不具有磁性的元素中也可以产生铁磁性。对于赝平带的情况，没有精确的解，但数值计算表明，如果电子之间的斥力足够大，它就会变成铁磁性的。[返回来源]

◆分数量子霍尔效应

当垂直于流经材料的电流施加磁场时，会产生与电流和磁场成正比的电动势。这称为霍尔效应，比例系数称为霍尔系数。将霍尔系数量子化为某一单位的整数倍的现象称为（整数）量子霍尔效应，将霍尔系数量子化为分数倍数的现象称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应通常只能在超强磁场和极低温度的极端条件下实现，但有报道称在平带模型中可以在更温和的条件下实现。[返回来源]

◆烧绿石晶格

一种独特的晶格，其形状是正四面体通过共享顶点连接起来。该模型仅提取烧绿石型氧化物的 A 位（或 B 位）。平带模型是一种晶格模型，其限制是电子只能在相邻顶点之间各向同性（在任何方向上均等）移动。所有实际的烧绿石型氧化物都具有烧绿石晶格，但到目前为止还没有发现实现平带模型的材料，因为其他原子的能级与平带重叠，并且电子的运动不是各向同性的。[返回来源]

◆第一性原理计算

一种理论计算方法，无需使用外部参数即可计算材料中的电子态。由于它不像模型那样使用简化，因此可以高精度计算真实材料的电子态。然而，由于计算中使用的是近似值，因此取决于物理量，因此在解释计算结果时需要小心。一般来说，磁性金属材料的能带形状和磁化强度必须高精度确定。[返回来源]

◆态密度

正如能带部分提到的，某种能量对应于电子波的某种状态。相反，电子的某种能量通常对应于多种状态。一定能量范围内的态数称为态密度。在态密度曲线（显示态密度与能量之间的关系的图表）中，低于某一能量的“面积”对应于电子的数量。该曲线有时称为“带”。在铁磁态下，上自旋和下自旋的能带位置和形状不同，分别称为上自旋能带和下自旋能带。[返回来源]