高温铁磁序诱导金属-绝缘体转变的新型四重钙钛矿氧化物CaCu3Ni2Os2O12研究

针对铁磁/亚铁磁自发磁化诱导金属-绝缘体转变(MIT)材料稀缺的难题，中国科学院团队通过高压合成技术制备出新型3d/5d杂化四重钙钛矿CaCu3Ni2Os2O12。研究发现该材料在393 K实现Cu2+(↑)-Ni2+(↑)-Os6+(↓)亚铁磁有序与MIT的协同转变，通过Lifshitz机制和自旋轨道耦合(SOC)效应调控能带结构，为高温自旋电子器件开发提供新范式。

　　

在凝聚态物理领域，金属-绝缘体转变(MIT)始终是核心研究课题。传统锰氧化物中通过双交换机制实现铁磁(FM)序诱导的绝缘体-金属转变已被广泛研究，但具有自发磁化的FM或亚铁磁(FiM)材料触发金属-绝缘体转变的体系，尤其是室温以上转变的实例极为罕见。这类材料因其同时具备自旋输运优势和电荷局域化特性，在低耗散电子器件、自旋电子学设备和集成存储系统等领域具有重要应用价值。

中国科学院团队通过高压合成技术成功制备出新型A/B位有序四重钙钛矿氧化物CaCu₃Ni₂Os₂O₁₂(CCNOO)。该材料在393 K同时发生Cu²⁺(↑)-Ni²⁺(↑)-Os⁶⁺(↓)亚铁磁有序转变和金属-绝缘体转变，饱和磁化强度在300 K达2.15 μ_B/f.u.。理论分析揭示其MIT源于自旋有序驱动的能带重整化，结合电子关联效应和自旋轨道耦合(SOC)共同作用，通过Lifshitz型机制实现能隙打开。该成果发表于《Nature Communications》，为开发高温多功能自旋电子器件提供了材料基础。

研究采用多项关键技术：1) 8 GPa高压1423 K合成四重钙钛矿；2) 同步辐射X射线衍射(SXRD)和中子粉末衍射(NPD)解析晶体/磁结构；3) X射线磁圆二色性(XMCD)测定元素分辨磁矩；4) 变温红外光谱表征能隙演化；5) GGA+SOC+U第一性原理计算电子结构。

晶体结构

SXRD精修确认CCNOO为立方Pn-3空间群，晶格常数7.40776 ?。B位Ni²⁺/Os⁶⁺呈现岩盐型有序排列，Cu-O-Os键角110°形成强3d-2p-5d杂化通道，为电子输运提供路径。

磁学性质

磁化率测试显示T_C=393 K的FiM转变，有效磁矩5.20 μ_B/f.u.。XMCD证实Cu²⁺(0.31 μ_B)、Ni²⁺(1.43 μ_B)与Os⁶⁺(-0.21 μ_B)形成↑-↑-↓自旋构型，NPD验证其长程磁有序。

电输运特性

电阻率在T_C处骤增三个数量级，低温区符合三维Mott变程跃迁模型。红外光谱显示直接带隙从T_C开始打开，0 K时达0.193 eV，能隙演化符合BCS函数，证实Lifshitz型连续转变特征。

理论机制

GGA+SOC+U计算表明：非磁态时CCNOO呈金属性；FiM序使Cu/Os能带脱离费米面形成赝能隙；引入SOC和电子关联(U_Cu=5 eV, U_Ni=4 eV, U_Os=2 eV)后完全打开0.23 eV带隙。交换作用分析显示Cu-Os超交换(J_Cu-Os=67 meV)主导磁耦合。

该研究首次在四重钙钛矿中实现高温FiM序诱导MIT，突破传统Mott/Slater机制局限，通过3d/5d轨道杂化与SOC协同作用，为设计新型磁电耦合材料提供理论框架。材料在室温下兼具强自发磁化和显著电阻转变特性，在自旋逻辑器件、磁传感器等领域展现出应用潜力。后续研究可进一步优化化学掺杂和异质结构建，探索更丰富的量子调控效应。