高压合成新型量子序物质
（ High-pressure synthesis of the cubic perovskite
BaRuO3 and evolution of ferromagnetism
in ARuO3 (A ＝ Ca, Sr, Ba) ruthenates )
C. Q. Jin, J. S. Zhou, J. B. Goodenough, Q. Q. Liu, J. G. Zhao, L. X. Yang, Y. Yu, R. C. Yu,
T. Katsura, A. Shatskiy, and E. Ito
PNAS (Proceedings of the National Academy of the United States of America) 105, 7115 (2008)
Research Highlight: Nature ChinaResearch Highlight: PNAS
Research Highlight: 中科院（CAS）& 中科院物理所IOP (in Chinese)
The cubic perovskite BaRuO3 has been synthesized under 18 GPa at 1000°C . Rietveld refinement indicates that the new compound has a stretched Ru-O bond. The cubic perovskite BaRuO3 remains metallic to 4 K and exhibits a ferromagnetic transition at Tc = 60 K, which is significantly lower than the Tc ≈ 160 K for SrRuO3. The availability of cubic perovskite BaRuO3 not only makes it possible to map out the evolution of magnetism in the whole series of ARuO3 (A = Ca, Sr, Ba) as a function of the ionic size of the A-site rA, but also completes the polytypes of BaRuO3. Extension of the plot of Tc versus rA in perovskites ARuO3 (A = Ca, Sr, Ba) shows that Tc does not increase as the cubic structure is approached, but has a maximum for orthorhombic SrRuO3. Suppressing Tc by Ca and Ba doping in SrRuO3 is distinguished by sharply different magnetic susceptibilities χ(T) of the paramagnetic phase. This distinction has been interpreted in the context of a Griffiths ' phase on the (Ca,Sr)RuO3 side and bandwidth broadening on the (Sr,Ba)RuO3 side.
过渡金属氧化物由于电子多体效应，存在电荷～轨道～自旋的相互耦合和关联，引发了丰富的物理现象。3d 族电子系统的关联效应尤为强烈，形成了以Mott化合物为特征的反铁磁绝缘体的基态构型，在绝缘体金属化相变过程中产生了诸如以铜氧化物高温超导为代表的新奇物理现象。在 4d 族化合物中随着过渡金属离子扩展性的加强，单价态的化合物通常不再成为绝缘体，可以呈现巡游磁性特征。研究这类巡游磁性的起源，探寻晶体场～交换作用～自旋轨道耦合的演化规律，对深入认识关联体系的物理图像非常重要。新材料的合成、尤其设计研制在常规条件不存在的化合物，可以揭示非常规组合物质的新奇物理现象，对研究关联体系多体效应至关重要。利用18GPa、1000oC高压高温条件，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室靳常青研究员领导的小组成功的首次合成了BaRuO3 立方钙钛矿化合物，研究表明它是一个Tc 60K的巡游磁性金属。由于容忍因子t >1，BaRuO3 钙钛矿的Ru~O键长处于拉伸状态，这和CaRuO3 中Ru~O键长弯曲明显不同。作为4d族的重要代表，Ru钙钛矿化合物成为近几年研究的重点，其中ARuO3 体系（A=Ca、Sr）巡游磁性奇特变化引起关注。等价态化学替代，SrRuO3 为Tc 160 K的铁磁金属，而CaRuO3 则为顺磁金属。铁磁关联在CaRuO3 的消失引起了广泛争论，一种观点认为铁磁和反铁磁相互竞争所至，另外一种观点认为Fermi面处态密度下降导致Stoner判据失效。BaRuO3 立方钙钛矿化合物的发现，及其巡游磁性的研究，为认识ARuO3 化合物的奇异磁电共存及演化提供了新视野。我们系统研究表明，在ARuO3 （A=Ca、Sr、Ba）体系，铁磁关联并未像先前理论预言的随Ru~ O键长的延展而单调上升。在正交结构的SrRuO3 中铁磁关联达到最强，而两侧A位离子半径的缩短（A=Ca）和拉伸（A=Ba）均导致体系铁磁交换减弱，我们通过进一步的研究发现两侧铁磁关联演化机制明显不同。在键长拉伸侧ARuO3 （A＝Ba,Sr）很好的符合Curie Weiss定律，Tc 随压力而减小，表明体系铁磁交换的减弱主要源于共价成分加强导致的能带展宽效应。而在键长弯缩侧ARuO3 （A=Ca、Sr），则更好的符合Griffiths相呈现的规律，表明体系铁磁交换主要由非磁团簇稀释调控。BaRuO3 立方钙钛矿化合物的合成，揭示了ARuO3 体系的这种出乎意料的不同变化趋势，对建立和修订针对这个典型巡游磁性关联金属体系的理论模型提供了新判据。由于钙钛矿结构化合物为地幔的主要晶体结构形态，研究高压状态产生的钙钛矿结构化合物及其磁电特性的演化规律，对认识地球内部的物理/化学/地质现象也具有重要意义。本工作在高压高温合成发现新材料的基础上，观察到Ru钙钛矿化合物巡游磁性演化的异常规律，相关工作发表在近期的美国科学院院刊上。文章列入该期的highligths，Nature China进行了亮点介绍，同时在线转摘了全文。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室靳常青研究员领导的研究组主要开展高压新物质及其奇异物理性质研究，近几年在高压新型类钙钛矿关联体系上进行了较系统的探索，取得了若干进展。本工作是中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室靳常青研究员和美国Texas Austin大学的周建十教授、日本冈山大学桂智男教授等共同合作完成的，研究工作得到科技部重要基础前沿（973、量子调控）、基金委（优秀群体）等项目的资助，在此特别表示感谢。
