Манганиты

Манганиты — вещества на основе марганца, представители класса окислов переходных металлов. Наибольший интерес представляют соединения типа ${\displaystyle La_{1-x}A_{x}MnO_{3}}$, где A — двухвалентный элемент (Ca, Ba, Sr, …). Концентрация x элемента A может меняться в широких пределах ${\displaystyle o\leq x\leq 1}$, при этом физические свойства манганитов резко меняются. Система переходит через цепочку фазовых переходов с разнообразными типами упорядочения: магнитного, структурного, электронного.

Манганиты исследуются уже более 50 лет и представляют большой интерес из-за открытия сравнительно недавно (1994 г.) колоссального магнетосопротивления[1]. Этот эффект может служить основой технических приложений, он наблюдается в интервале концентраций x, где существует ферромагнитная металлическая фаза и состоит в том что электрическое сопротивление ${\displaystyle \rho }$ уменьшается при приложении магнитного поля. Величина эффекта ${\displaystyle \delta \rho /\rho }$ в полях порядка 1 Тл может достигать десятков процентов. Максимальный эффект возникает в окрестности температуры Кюри.

Например, соединение ${\displaystyle LaMnO_{3}}$ является антиферромагнитным диэлектриком с магнитной структурой типа A, при замещении лантана кальцием система становится ферромагнитным металлом, а при ${\displaystyle x>0,5}$ — снова антиферромагнитным диэлектриком с магнитной структурой типа G в конечном состоянии ${\displaystyle CaMnO_{3}}$ и типа C в промежуточной области концентраций[2]. При повышении температуры ферромагнитная фаза меняется парамагнитной с резким падением проводимости. Поведение электросопротивления от температуры сильно зависит от концентрации допированного элемента (от степени легирования исходного соединения двухвалентным элементом). Появление металлического состояния при переходе через точку Кюри и сильное магнитосопротивление — явления, тесно связанные друг с другом, являются типичным свойством манганитов.

Появление металлической ферромагнитной фазы в манганитах было объяснено ещё в 1951 г. Зинером на основе предположения о сильном внутриатомном обмене между локализованным спином и делокализованным электроном. Благодаря этой связи спин электрона выстраивается параллельно спину иона. И электрон, таким образом, способен передвигаться от узла к узлу решётки, понижая полную энергию системы. В этом случае ферромагнитное состояние возникает не из-за обменного взаимодействия ионов, а из-за кинетического эффекта. Этот механизм назвали двойным обменом:

Mn → O → Mn (двойной переход электрона через промежуточный ион кислорода).

Благодаря этому эффекту манганиты можно включить в так называемый класс сильно коррелированных электронных систем.