具有弱磁阻的 La1−xSrxMnO3 中 Jahn–Teller 声子的塌缩

为何晶体中微小变化能切换电导

一些金属氧化物在外加磁场下电导率会发生剧烈变化，这种现象称为巨磁阻。这类材料对未来的数据存储和传感技术很有吸引力，但其原子、电子与磁矩之间的微观相互作用仍存在争议。本文研究了这类晶体家族中的一种，发现一种细微的原子振动以出乎意料的极端方式表现出来，即便总体电学效应相对温和。

一个著名材料家族的奇异行为

研究聚焦于钙钛矿锰酸盐——由锰氧八面体构成、夹杂钕和锶（注：原文为镧和锶）原子的晶体。这些化合物可以表现出巨磁阻，即在磁场作用下电阻可变化数百倍或更多。早期理论将该行为归因于电子在锰原子间跃迁时强烈拉扯周围氧笼，从而产生称为 Jahn–Teller 畸变的特殊构型。主流观点认为，电子—晶格耦合越强，磁阻越大。

用中子束探测原子振动

为了检验这一图景，作者使用高分辨率中子散射，这项技术可在晶体中绘制磁激发（自旋波）和原子振动（声子）的全貌。他们研究了两种成分：La0.7Sr0.3MnO3 与 La0.8Sr0.2MnO3，分别在约350 K 和305 K 以下变为铁磁，但与典型的巨磁阻体系相比仅显示出温和的磁阻。在低温下，测量显示教科书式的行为：磁激发遵循可用简单海森堡模型描述的正弦型分布，大多数声子与基于密度泛函理论的详细计算相吻合。这表明在有序磁态下，自旋和原子晶格表现得是常规且可理解的。

当磁性消失时，关键振动消失

当将晶体加热到超过居里温度（铁磁消失）时，出现了意外的转变。一整类涉及锰—氧键伸缩并具有 Jahn–Teller 特征的氧原子振动，在布里渊区边缘的无弹性信号骤然消失。与其随温度仅轻微软化或展宽不同，这些模态实际上发生了塌缩：在低温下强烈且清晰，而在高温下却不存在。仔细分析排除了诸如晶体对称性变化、孪晶域或自旋波与声子强混合等平凡解释。对两种已知结构相的理论声子计算仍然预测这些模态应存在，这指向一个真正反常的效应，与电子与晶格的相互作用方式有关。

从清晰振动到弥漫畸变

由于总散射强度守恒，丢失的振动权重必定在别处出现。作者发现它并没有简单地转移到低能的声子峰上。相反，在磁相变温度之上，他们观测到增强的准弹性散射：一个以零能量附近为中心的宽信号，表明极慢、近乎冻结的涨落。该信号出现在磁贡献可忽略的大动量转移处，因此必来自晶格。由此呈现的图景是，Jahn–Teller 键伸缩模态并未真正消失；它们从定义明确的传播波转变为缓慢移动、束缚电荷的氧子晶格畸变，在晶体中扩散。换言之，与电子相关的晶格畸变更像是游走的、短暂的局域变形，而非整洁的、延展的振动。

重新思考控制巨磁阻的因素

也许最令人惊讶的是，这种极端的 Jahn–Teller 振动“塌缩”出现在仅表现弱磁阻的化合物中，而不仅限于那些具有巨磁阻效应的材料。其它实验也显示，在这些弱效应化合物中氧位移的幅度与经典巨磁阻体系相当。综合这些结果，挑战了以电子与 Jahn–Teller 畸变耦合强度来决定磁阻大小的简单观点。作者改而提出，关键因素是这些畸变的移动速度：在拥有巨大磁阻的材料中，畸变缓慢或近乎静止，强烈钉扎电荷载流子；而在磁阻较弱的材料中，畸变扩散更快，使电荷更易移动。这一从畸变强度到畸变流动性的重心转移，呼唤新的理论模型，并可为设计未来利用或有意抑制巨磁阻的氧化物电子器件提供指引。

引用: Sterling, T.C., Savici, A.T., Kajimoto, R. et al. Collapse of Jahn-Teller phonons in La_1−xSr_xMnO₃ with weak magnetoresistance. Commun Mater 7, 121 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01139-4

关键词: 巨磁阻, 电子–声子耦合, Jahn–Teller 畸变, 钙钛矿锰酸盐, 中子散射