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Paramagnetic LaCoO3: A Highly Inhomogeneous Mixed Spin-state System, Physical Review X13,011037(2023)
LaCoO3：不尋常的混合自旋態順磁體。
Takegami, D. search by orcid ; Tanaka, A. search by orcid ; Agrestini, S. search by orcid ; Hu, Z. ; Weinen, J. ; Rotter, M. ; Schüßler-Langeheine, C. search by orcid ; Willers, T. ; Koethe, T. C. search by orcid ; Lorenz, T. search by orcid ; Liao, Y. F. ; Tsuei, K. D. ; Lin, H. -J. ; Chen, C. T. ; Tjeng, L. H. search by orcid
2024/02/20
LaCoO3長久以來被當成研究電子自旋態轉變的範例，低溫下，LaCoO3為順磁絕緣體，在450-550 K範圍內由絕緣體轉變成導體；然而，其電子組態與溫度的相依性已超過50年仍未解決。德國、日本和台灣研究人員合作，利用硬X光光電子能譜（HAXPES）和軟X吸收能譜（XAS）技術，配合原子多重態交互作用模型的電荷轉移計算，對這個長期存在的問題進行了詳細的探討；結果清楚地顯示，低溫絕緣時幾乎為純（90％）低自旋（LS）t2g6態，隨著溫度升高，轉變為混合自旋態導體，並逐漸增加高自旋（HS）t2g4eg2的比例（圖1），從而澄清了這種不尋常的鈣鈦礦氧化物的電子結構。首先在Spring-8的光束線BL12XU Max-Planck-NSRRC HAXPES實驗站進行溫度相依性HAXPES實驗。結果顯示低溫（80 K）和高溫（650 K）的Co 2p內核HAXPES能譜均與計算擬合的能譜吻合(低溫為90％LS + 10％HS，高溫則為50％LS + 50％HS)。接下來，進行溫度相依的價帶能譜實驗，結果表明，即使在LaCoO3處於金屬相的650 K，費米能階的強度仍然很小，這表明高溫下LaCoO3並非良導體。最後在台灣光源BL11A進行溫度相依的XAS，O-K XAS的吸收能譜是從O 1s能階到與未佔據的Co 3d t2g和eg態混合的O 2p軌道的躍遷。溫度從10 K增加到650 K時，從高能量結構（約529.3 eV）到低能量結構（約528.4 eV）的能譜強度明顯轉移，這是由自旋態轉變所引起：低溫下，LS Co3+離子的t2g殼層完全佔據，僅可能躍遷到高能量未佔據的eg；高溫時，由於部分Co3+離子處於HS狀態，t2g有部分未佔據，因此允許躍遷到較低能階的t2g，這導致528.4 eV結構的出現。