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 压力引发磁铁矿的磁阻率反转# 苏宁宁，刘才龙，彭刚，李岩，王庆林，李玉强，韩永昊** （吉林大学超硬材料国家重点实验室，长春 130012） 5 10 15 20 25 30 35 40 摘要：本文测量了纳米粉末状的磁铁矿（Fe3O4）在极端条件下的磁阻率，其中压力达到 19.0 GPa，磁场达到 15 kG。结果显示，当压力小于 6.0 GPa 时，磁铁矿呈现出奇特的准线性的 正磁阻效应；在大约 6.0 GPa 时，磁阻效应开始由正的变为负的。低压下（压力小于 6.0 GPa） 的反常的正磁阻效应归因于 Fe3O4 样品具有高的负自旋极化率，这样 Fe3O4 样品和 Mo 电 极接触面的纳米异质形成的高势垒会引起定域效应。磁阻效应在 6.0 GPa 发生反转是由于压 力使得磁铁矿发生了由半金属到金属的相变。 关键词：金刚石对顶砧；磁阻率；高压 Pressure induced magnetoresistivity reversal in magnetite SU Ningning, LIU Cailong, PENG Gang, LI Yan, WANG Qinglin, LI Yuqiang, HAN Yonghao (State Key Laboratory for Superhard Materials, Jilin University, Changchun 130012) Abstract: The magnetoresistivity (MR) of nano-powdered magnetite has been measured under pressures up to 19.0 GPa and magnetic fields up to 15 kG. An unexpected quasi-linear positive MR below 6.0 GPa and an MR transition from positive to negative around 6.0 GPa have been found. The abnormal positive MR below 6.0 GPa originates from the confinement effect caused by nano-scale heterogeneity at the contact surface between Mo and Fe3O4 sample and the high negative spin polarization of magnetite. The MR transition at about 6.0 GPa comes from a phase transition from half-metal to metal induced by pressure. Key words: magnetoresistivity; diamond anvil cell; high pressure 0 引言 具有 100%自旋极化率的半金属材料由于其在自旋设备装置方面的应用而被受瞩目，例 如被作为磁随机存取存储器，磁头，自旋阈和磁传感器等。磁铁矿是一种具有高自旋极化率 的半金属材料，[1]只有自旋向下的子带在费米面上有传导电子。它是一种混合价铁的氧化物， 在常温常压下具有反尖晶石结构。四面体的四配位即 A 位被三价铁粒子占据，八面体的六 配位即 B 位被二价铁离子和三价铁离子占据，化学式可以写成[Fe3+]A[Fe2+Fe3+]B。[2]由于 A 位和 B 位的铁离子的磁矩反平行排列，所以磁铁矿在临界温度（Tc ～860 K）以下呈亚铁 磁性。[3] 对磁铁矿进行的高压 X 射线衍射实验已经表明直到 25 GPa 没有结构相变发生。[4,5]然 而，近些年来磁铁矿在 6-15 GPa 呈现出的一些现象引起了人们广泛的研究兴趣。比如，在 常压下温度为 Verwey 相变温度（TV = 122K）时磁铁矿从反尖晶石结构变为尖晶石结构的观 点被提出，此转变温度会随着压力的增加而提高，室温时（T=300K），对应此转变的压力 大约为 8 GPa。[6,7]随后在 7 到 15 GPa，磁铁矿为反尖晶石结构和尖晶石结构共存相[8] 以及 在 6 GPa 磁铁矿发生从反尖晶石结构到更加理想的反尖晶石结构[9]的观点被相继提出。[9]磁 基金项目：中国教育部新教师基金（200801831007） 作者简介：苏宁宁（1983-），女，博士研究生，高压下半导体材料的电输运研究 通信联系人：韩永昊（1978-），男，副教授，高压下半导体材料的电输运研究. E-mail: hanyonghao1978@ -1-  铁矿的