Взаимосвязь электрических и магнитных свойств в сильно коррелированных электронных системах оксидов и халькогенидов переходных металлов 01. 04. 07 физика конденсированного состояния

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Овчинников Сергей Геннадьевич Найден Евгений Петрович Общая характеристика работы Научная новизна Научная значимость Практическая значимость Основные положения Апробация работы Личный вклад автора. Структура и объем работы. Содержание работы Первая глава Третья и четвертая главы Четвертая глава Т = 4.2 К в магнитополевой зависимости электросопротивления наблюдается слабопериодичный осциллирующий вклад R В шестой главе Результаты работы Список цитированной литературы

Подобный материал:

• Синтез, оптические спектры и стереоатомный анализ структуры сложных халькогенидов,, 855.77kb.
• Трансформация структуры и электрофизических свойств оксидов переходных металлов при, 367.4kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
• Паспорт специальности 01. 04. 07 – физика конденсированного состояния, 1004.81kb.
• Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния, 334.2kb.
• Ён Викторович Методы визуализации кинетики зарождения и роста углеродных наноструктур, 219.01kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика,, 223.9kb.
• Аннотация дисциплины «Магнетизм конденсированного состояния», 11.15kb.
• Министерство образования Российской Федерации международный университет природы, общества, 1374.95kb.
• Аннотация дисциплины, 39.03kb.

На правах рукописи

Иванова Наталья Борисовна


ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ В СИЛЬНО КОРРЕЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ОКСИДОВ И ХАЛЬКОГЕНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

01.04.07 – физика конденсированного состояния


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук


Красноярск – 2007

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук и Сибирском федеральном университете


Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Овчинников Сергей Геннадьевич


Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Романенко Анатолий Иванович (ИНХ, г. Новосибирск);


доктор физико-математических наук, профессор Найден Евгений Петрович (СФТИ, г. Томск);


доктор физико-математических наук, профессор Аплеснин Сергей Степанович (СибГАУ, г. Красноярск)


Ведущая организация: Новосибирский государственный университет


Защита состоится________________2008 года в _______ на заседании диссертационного совета по защите диссертаций Д 003.055.02 в Институте физики СО РАН по адресу 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 38, ИФ СО РАН


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Оксиды и халькогениды переходных и редкоземельных элементов формируют класс соединений с чрезвычайно богатыми и разнообразными физическими свойствами. Среди этих соединений особое место занимают материалы с сильными электронными корреляциями (СЭК). Среди неординарных физических свойств систем с СЭК выделяются высокотемпературная сверхпроводимость купратов, колоссальное магнитосопротивление манганитов лантана и халькогенидов европия, аномальная термоэдс в кобальтитах и многое другое. Наиболее яркой чертой материалов с сильными электронными корреляциями является выраженная взаимосвязь магнитных, оптических, электрических и других физических свойств.

Проблема сильных корреляций является чрезвычайно важной в физике конденсированного состояния. Попытки ее решения приводят к новым воззрениям на природу электрона в системах с СЭК, которые далеки от привычных представлений физики нормальных металлов и полупроводников. Проблема учета СЭК, как правило, не позволяет провести расчеты спектра квазичастиц из первых принципов, поэтому очень важно развитие модельных представлений и численных методов. Это развитие должно сопровождаться и экспериментальными исследованиями, которые в случае систем с СЭК непременно должны быть комплексными, ввиду наличия большого числа взаимосвязанных степеней свободы в этих соединениях ­– решеточных, зарядовых, спиновых, орбитальных. С точки зрения фундаментальной физики оксиды и халькогениды переходных и редкоземельных металлов являются пробным камнем для выяснения роли сильных электронных корреляций, гибридизации, зарядового и орбитального упорядочения.

Основной проблемой, рассматриваемой в данной работе является взаимосвязь различных физических свойств оксидов и халькогенидов переходных металлов, в первую очередь магнитных и электрических. Изучение механизмов этой взаимосвязи важно, как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения практических применений.

Поиск материалов с сильной взаимосвязью магнитных и зарядовых степеней свободы в настоящее время является основной задачей спинтроники. В этом смысле магнитные полупроводники – халькогенидные шпинели хрома явились предшественниками современных материалов для этой области науки, поскольку электронная и магнитная системы в них исключительно сильно связаны между собой. И хотя хромовые шпинели пока не получили широкого применения из-за сложной технологии синтеза, тем не менее они оказались очень важными и интересными объектами для фундаментальной физики. Изучение этих тройных полупроводников позволяет выработать основные подходы к описанию их электронной структуры и понять механизмы влияния ее особенностей на экспериментально наблюдаемые свойства.

В большинстве хромовых шпинелей наиболее важные события в электронной и магнитной системах происходят в области криогенных температур, что также ограничивает их практическое применение. От этого недостатка свободны многие сульфиды 3d-металлов, в которых магнитный порядок часто устанавливается при высоких температурах. На основе сульфидов марганца, хрома, железа можно создать множество твердых растворов, обладающих нетривиальными электрическими и магнитными свойствами.

Бораты переходных металлов на основе FeBO₃ знамениты тем, что современная технология синтеза позволяет получать высококачественные прозрачные монокристаллы с высокими температурами магнитного упорядочения. Оказывается, что в этих боратах электрические и магнитные свойства слабо связаны между собой, но зато существует выраженная взаимосвязь магнитных и оптических свойств.

Особое место в ряду оксидных соединений с сильно коррелированными электронами занимают перовситоподобные оксиды. Среди них и ВТСП-купраты, и манганиты с колоссальным магнитосопротивлением, и редкоземельные кобальтиты. Физика явлений, протекающих в РЗМ-кобальтитах чрезычайно разнообразна, и очень многие ее вопросы в данный момент не решены до конца. Одним из наиболее важных вопросов является так называемая проблема спинового состояния ионов Со³⁺. В данной работе уделено внимание тем особенностям физических свойств, которые привносит магнетизм редкоземельных элементов.

Далее будут приведены результаты экспериментального изучения нескольких различных групп соединений: хромовых шпинелей, сульфидов, боратов, кобальтитов, отличающихся кристаллической структурой, типом магнитного упорядочения, характером проводимости и другими физическими свойствами. При этом их общей чертой является наличие в кристаллической решетке ионов с незавершенными d-(f-) электронными оболочками и сильного кулоновского взаимодействия.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование особенностей взаимосвязи магнитных и электрических свойств оксидов и халькогенидов переходных металлов.

Основные задачи работы:

1. комплексное экспериментальное изучение магнитных и электрических свойств монокристаллов халькогенидных шпинелей хрома n-HgCr₂Se₄, твердых растворов Cd_xHg_1-xCr₂Se₄ и Cu_xZn_1-xCr₂Se₄; сульфидов Fe_1-xV_xS и оксисульфидов (VS)_x(Fe₂O₃)_2-x; монокристаллических боратов Fe_1-xV_xBO₃; бората хрома CrBO₃; перовскитоподобных оксидов редкоземельных металлов, таких как купрат La₂CuO₄, кобальтиты GdCоО₃ и SmCoO₃;
   
2. выяснение и сопоставление механизмов взаимосвязи магнитных и электрических свойств этих материалов при изменении температуры, магнитного поля и концентрации носителей заряда;
   
3. описание и анализ экспериментально наблюдаемых свойств на основе конфигурационной многоэлектронной модели энергетической структуры и определение модельных параметров.
   

Научная новизна работы. Результаты диссертации, выносимые на защиту, являются новыми и соответствуют мировому уровню.

Впервые получены и исследованы прозрачные монокристаллы оксиборатов Fe_1-xV_xBO₃. Обнаружены концентрационные и температурные магнитные фазовые переходы, сопровождаемые изменением характера проводимости. Для оксиборатов VBO₃ и Fe_1-xV_xBO впервые измерены спектры оптического поглощения. Для малоизученных боратов CrBO₃ и VBO₃ определены обменные константы и константы анизотропии. Доказана различная природа диэлектрической щели в FeBO₃ и VBO₃.

Для монокристаллов вырожденного магнитного полупроводника n-HgCr₂Se₄ обнаружено отклонение от закона Блоха в температурной зависимости намагниченности, связанное с нефермижидкостным поведением электронной системы этого соединения.

Обнаружены квантовые осцилляции намагниченности и проводимости n-HgCr₂Se₄, не описываемые на основе традиционных представлений об эффектах де Гааза-ван Альфена и Шубникова-де-Гааза в фермижидкостных системах.

Выявлена прямая зависимость электрического сопротивления n-HgCr₂Se₄ от магнитного момента. Ярко выраженная взаимосвязь магнитной и электронной систем обнаружена также в недопированном монокристаллическом купрате La₂CuO₄. Предложено описание взаимосвязи магнитных и электрических свойств боратов, хромовых шпинелей и купратов с единых позиций – на основе конфигурационной многоэлектронной модели энергетической структуры с учетом сильных электронных корреляций. Определен ряд параметров модели.

Исследованы механизмы взаимосвязи магнитных и электрических свойств при концентрационных переходах в твердорастворных системах оксисульфидов (VS)_x(Fe₂O₃)_2-x, сульфидов Fe_xV_1-xS, хромовых шпинелей Cd_xHg_1-xCr₂Se₄ и Cu_xZn_1-xCr₂Se₄. Для (VS)_x(Fe₂O₃)₂ при х=1.25 обнаружен магнитный переход, сопровождаемый переходом металл-диэлектрик и структурными превращениями. Для сульфидов Fe_xV_1-xS обнаружен переход от режима Кондо к магнитному порядку. Определена критическая концентрация. В твердых растворах Сu_xZn_1-xCr₂Se₄ обнаружено сосуществование ферро- и антиферромагнитного порядка и перколяционное поведение электрической проводимости в критической области концентраций. В качестве механизма концентрационного перехода рассмотрено разделение фаз.

Проведено сравнительное изучение особенностей взаимосвязи электрических и магнитных свойств малоизученных кобальтоксидных соединений GdCoO₃ и SmCoO₃. В высокотемпературной области Т = 600  700 К обнаружен широкий переход металл-диэлектрик, связанный с изменением спинового состояния ионов Co³⁺. Выявлены значительные различия в низкотемпературном поведении магнитной восприимчмвости этих соединений. Показана определяющая роль ван-флековского поляризационного вклада в магнитную восприимчивость SmCoO₃. Сделаны оценки расщепления основного состояния иона Sm³⁺ в кристаллическом поле низкой симметрии.

Научная значимость работы. Показано, что в оксидах и халькогенидах переходных металлов важнейшим фактором, ответственным за взаимосвязь магнитных и электрических свойств, являются особенности электронной структуры, формируемые в результате действия сильных электронных корреляций. Доказана необходимость учета СЭК при описании экспериментально наблюдаемых свойств и энергетического спектра этих соединений. Получены экспериментальные данные, касающиеся взаимосявязи процессов переноса, намагничивания, оптического поглощения в новых и малоизученных материалах: боратах переходных металлов, оксисульфидах, РЗМ-кобальтитах.

Практическая значимость работы. Оксидные и халькогенидные соединения переходных элементов не только являются интересными объектами фундаментальных исследований, но также чрезвычайно важны для практических применений. Прозрачные магнитные диэлектрики, такие как FeBO₃, VBO₃ и CrBO₃ представляют интерес для оптоэлектроники и спинтроники. Соединения на основе LaCоO₃ нашли свое место в качестве катодов твердотельных оксидных источников питания, гетерогенных катализаторов, кислородных мембран и газовых сенсоров. Высокая термоэдс, наблюдаемая в кобальтитах, позволяет рассматривать их как альтернативу традиционным полупроводниковым термоэлектрическим материалам. Разработки в области создания мультислоев и гетероструктур, содержащих ферромагнитные полупроводники, такие как HgCr₂Se₄, заложили основу для создания нового поколения микроэлектронных устройств [1]. Очень важным с позиций практического применения является демонстрируемое многими оксидами и халькогенидами гигантское магнитосопротивление. Среди соединений, исследованных в данной работе, им обладают хромовые шпинели и купраты. Проведенные в работе исследования смешанных соединений Fe_xV_1-xS, Fe_1-xV_xBO₃, (VS)_x(Fe₂O₃)_2-x, Cu_xZn_1-xCr₂Se₄ показали возможность синтеза соединений с предварительно заданными характеристиками.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования магнитных материалов, использованием оборудования, обеспечивающего необходимую точность эксперимента. Применяемые физические подходы и модели соответствуют природе наблюдаемых явлений. Достоверность также подтверждается тем, что некоторые явления, предсказанные на основе используемых физических моделей, такие как отклонения от закона Блоха в температурной зависимости намагниченности ферромагнетиков с промежуточной валентностью, нарушение периодичности по обратному полю эффектов де Гааза-ван Альфена и Шубникова-де Гааза в нефермижидкостных системах в данной работе обнаружены экспериментально.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• Результаты исследований магнитных, кинетических и оптических свойств прозрачных монокристаллов Fe_1-xV_xBO₃. Обнаружен концентрационный магнитный переход антиферромагнетик-ферромагнетик. Найдено температурное изменение механизма проводимости от простого активационного при высоких температурах к прыжковой проводимости при низких температурах. Результаты интерпретированы на основе многоэлектронной модели зонной структуры с учетом сильных электронных корреляций. Показано, что диэлектрическая щель в крайних соединениях ряда имеет различную природу.
  
• Результаты исследований магнитной структуры монокристаллов малоизученных оксиборатов VBO₃ и CrBO₃. Для VBO₃ впервые обнаружена одноосная анизотропия и исследована температурная зависимость первой константы одноосной анизотропии К1. Для CrBO₃ наряду с одноосной обнаружена значительная гексагональная анизотропия. Для обоих соединений определены значения обменного поля H_ex.
  
• Нефермижидкостное поведение носителей заряда в монокристаллах ферромагнитного полупроводника HgCr₂Se₄, выражающееся в нарушении типичного для ферромагнетиков закона Блоха (Т^3/2) температурной зависимости намагниченности. Наряду с блоховским обнаружен значительный линейный по температуре вклад в намагниченность, ранее предсказанный спин-волновой теорией ферромагнетиков с промежуточной валентностью.
  
• Квантовые осцилляции намагниченности и проводимости в n-HgCr₂Se₄. Выявлены отклонения от обычных эффектов де Гааза–ван Альфена и Шубникова­–де Гааза, выражающиеся в нарушении периодичности эффектов по обратному магнитному полю 1/H. При описании эффектов использованы представления о нефермижидкостной зависимости химпотенциала от температуры и магнитного поля.
  
• Сильная взаимосвязь магнитных и электрических свойств хромовых шпинелей n-HgCr₂Se₄ и купрата La₂CuO₄ как результат особенностей электронной структуры этих соединений. Для HgCr₂Se₄ определены параметры многоэлектронной модели: обменный интеграл, параметр гибридизации и положение одноэлектронного d-уровня относительно дна зоны проводимости.
  
• Особенности взаимосвязи магнитных и электрических свойств при концентрационных магнитных и электронных переходах в смешанных системах (VS)_x(Fe₂O₃)_2-x, Fe_xV_1-xS, Cd_xHg_1-xCr₂Se₄ и Cu_xHg_1-xCr₂Se₄. В качестве возможных механизмов взаимосвязи рассмотрены зарядовое упорядочение, переход от режима Кондо к магнитному порядку и разделение фаз.
  

Результаты сравнительного изучения особенностей взаимосвязи магнитных и электрических свойств систем с двумя типами магнитных ионов на примере редкоземельных кобальтитов GdCoO₃ и SmCoO₃. Выявлены значительные различия низкотемпературных магнитных свойств, обусловленные различным строением электронных оболочек ионов Sm³⁺ и Gd³⁺. Для SmCoO₃ определена величина расщепления уровней иона Sm³⁺ в кристаллическом поле низкой симметрии.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

Всесоюзное совещания ”Химическая связь, электронная структура и физико-химические свойства полупроводников и полуметаллов”, г. Тверь, 1985; Всесоюзная конференция “Тройные полупроводники и их применение”, Кишинев, 1989;II Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверх-проводимости, Киев, ИМ АН УССР, 1989; International conference of Magnetism, Warsaw, Poland, 1994; Всероссийская конференция “Неоднородные электронные состояния”, Новосибирск, ИНХ СО РАН, 1995; Конференция “Твердотельная микроэлектроника”, Фрязино, 1995; 10^th International Conference on Ternary and Multinary Compounds, Stuttgart, 1995; XV, XVII, XX Международная школа-семинар “Новые магнитные материалы магнитоэлектроники”, Москва, 1996, 2000, 2006; Евро-Азиатский Симпозиум EASTMAG-2001, 2004, 2007; Второй международный симпозиум “Инновационные технологии-2001: проблемы и перспективы, организация наукоемких производств”, Сочи, 2001; International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, Cracow, Poland, 2002 Karlsruhe, Germany, 2004; XXXIII Совещание по физике низких температур, Екатеринбург, 2003; XXX Международная зимняя школа физиков-теоретиков “Коуровка-2004”, Екатеринбург-Челябинск, 2004; Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005), Moscow, Russia, 2005; IX Международный Симпозиум “Фазовые превращения в металлах и сплавах ОМА-9”, Ростов-на-Дону, 2006.

Результаты работы доложены на семинарах Института неорганической химии CO РАН (г. Новосибирск), Сибирского физико-технического института (г. Томск), Института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург), объединенного межвузовского физического семинара (г. Красноярск). Также изучаемые в работе проблемы неоднократно обсуждались на научных семинарах Института физики СО РАН (г. Красноярск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах. Также опубликованы порядка 40 тезисов докладов, получено авторское свидетельство на изобретение.

Личный вклад автора. Автором диссертации сконструирован и настроен мост взаимной индукции для измерения магнитной восприимчивости, изготовлены криогенные измерительные ячейки для исследования магнитных и транспортных свойств, разработаны методики нанесения и тестирования электрических контактов к различным моно- и поликристаллическим образцам. Все измерения электрической проводимости и динамической магнитной восприимчивости выполнены автором. Лично автором синтезированы образцы хромовых шпинелей Cu_xZn_1-xCr₂Se₄. Также автором работы проделан анализ полного набора экспериментальных данных, их математическая обработка и интерпретация.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. В первой главе приведен обзор литературы по теме исследования, во второй главе описаны методики измерений и приготовления образцов, остальные четыре главы являются оригинальными. Диссертация изложена на 243 страницах, содержит 9 таблиц и 90 рисунков. Библиография состоит из 267 наименований.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассмотрено научное значение комплексных экспериментальных исследований соединений с сильными электронными корреляциями, дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена рассмотрению современного состояния физики сильно коррелированных электронных систем на примере оксидов и халькогенидов переходных металлов. Особое внимание уделено рассмотрению механизмов формирования взаимосвязи различных физических свойств, в особенности магнитных и электрических.

Выраженная взаимосвязь магнитных, структурных, оптических и транспортных свойств является яркой чертой соединений с сильно коррелированными электронами, привлекающей к ним особое внимание. Проблема этой взаимосвязи достаточно стара, однако исследования последних лет вновь выдвинули ее на переднюю линию научного поиска. В последние два десятилетия лавинообразный рост интереса к сильно коррелированным электронным системам главным образом обусловлен открытиями высокотемпературной сверхпроводимости в оксидах меди и гигантского магнитосопротивления в оксидах марганца. В ходе исследования этих и других систем с СЭК было обнаружено огромное разнообразие взаимосвязанных явлений, таких как переход металл-диэлектрик, спиновое, орбитальное и зарядовое упорядочения, двойной обмен, образование решеточных и магнитных поляронов. Разновидностью систем с сильными электронными корреляциями являются давно известные магнитные полупроводники, такие как халькогенидные хромовые шпинели, сульфиды переходных металлов, РЗМ-кобальтиты.

Отправной точкой для изучения систем с СЭК явилось несоответствие диэлектрического состояния окислов 3d-металлов, таких как NiO и Fe₃O₄, с одноэлектронным критерием металлического состояния для частично заполненных зон. Последующие открытия высокотемпературной сверхпроводимости в купратах и колоссального магнитосопротивления в манганитах привели к пониманию того, что в оксидных соединениях переходных металлов наличие сильных электронных корреляций является скорее правилом, чем исключением.

Энергетические структуры материалов с сильно коррелированными электронами не соответствуют ни приближению свободных электронов, ни чисто ионному подходу, а представляют собой смесь того и другого. Наличие сильных корреляций приводит к невозможности описания поведения электронов в твердых телах на основе простых одноэлектронных теорий, таких как приближение локальной плотности потенциала (LDA). В стехиометрических составах наличие СЭК обычно приводит к диэлектрическому состоянию. Однако природа диэлектрической щели в каждом конкретном случае различна. Известная классификация Заанена-Завадского-Аллена позволяет различать два типа диэлектриков: диэлектрики Мотта-Хаббарда (d-d щель) и диэлектрики с переносом заряда (p-d щель). Возможный вариант электронной структуры определяется соотношением энергии переноса заряда  и матричного элемента U_d, характеризующего внутриатомное кулоновское отталкивание. При U_d >  имеем диэлектрик с переносом заряда, при U_d <  – диэлектрик Мотта-Хаббарда. Также диэлектрическая щель может иметь промежуточный характер.



Локализованные электроны должны описываться в многоэлектронном подходе, учитывающем сильные внутриатомные кулоновские корреляции, гибридизацию и орбитальную структуру. Многоэлектронный подход приводит к появлению в энергетическом спектре уровней локальных квазичастиц с энергиями _ij = E_i(dⁿ⁺¹) – E_j(dⁿ), где E_i(dⁿ) обозначает i-й терм dⁿ конфигурации. На рис. 1 показаны схемы электронной структуры магнитного полупроводника n-HgCr₂Se₄ и оксибората FeBO₃, полученные на основе многоэлектронной модели. В том случае, если уровень Ферми попадает в область локализованных d-состояний, в свою очередь энергетически близких к зонным коллективизированным s-состояниям (как в случае n-HgCr₂Se₄), может наступать их вырождение и перемешивание. Реализуется так называемое состояние промежуточной валентности магнитного иона. При этом степень локализации, а, следовательно, и подвижность носителей заряда сильно зависит от величины магнитного момента.


Рис. 1. Схемы электронной структуры HgCr₂Se₄ и FeBO₃ в многоэлектронной модели [2, 3].
В отдельных оксидах, например, соединениях на основе LaCoO₃ и FeBО₃, ион переходного элемента не только может принимать различную валентность, но и находиться в различных спиновых состояниях. Конкуренция между различными спиновыми состояниями выражается в уникальных физических свойствах этих соединений.

Важным аспектом проблемы взаимосвязи магнитных и электрических свойств является взаимное влияние электронного транспорта и обменных взаимодействий. Среди оксидов и халькогенидов переходных металлов встречаются вещества со всеми известными видами магнитного порядка. Большинство изолирующих соединений является антиферро- или ферримагнетиками. Так, недопированный La₂CuO₄ – антиферромагнитный диэлектрик, магнетит Fe₃O₄ – ферримагнетик, а борат железа FeBO₃ – соединение со слабым ферромагнетизмом. В изоляторах тот или иной вид магнитного порядка, как правило, устанавливается благодаря различным видам косвенного обменного взаимодействия. В отдельных случаях важную роль играет и прямой гейзенберговский обмен. Для понимания причин реализации того или иного вида магнитного упорядочения очень важны представления орбитальной физики, находящейся в данный момент на первых стадиях своего развития. В проводниках существуют другие источники магнитного порядка, такие как двойной обмен и РККИ-взаимодействие. Благодаря наличию этих видов обменного взаимодействия соединения со свободными носителями заряда, как правило, проявляют тенденцию к ферромагнитному упорядочению. Существует и обратное влияние магнитного порядка на зарядовый транспорт. Как правило, движение носителей заряда происходит свободнее в среде с однородной намагниченностью. В узкозонном пределе s-d модели интеграл межузельного перескока t_ij= tcos(θ_ij/2) зависит от направлений спина на соседних узлах. Таким образом, типичными являются сочетания ферромагнитного порядка с высокой проводимостью и антиферромагнитного порядка – с низкой. В реальных соединениях сочетание и конкуренция различных видов обменного взаимодействия приводят к возникновению целого ряда различных магнитных фаз.

С точки зрения транспортных свойств сильно коррелированные электронные системы также демонстрируют множество различных сценариев поведения, наиболее яркими из которых являются сверхпроводимость и переходы металл-диэлектрик (ПМД). Частным случаем ПМД под действием магнитного поля является колоссальное магнитосопротивление. Одновременно могут происходить структурные и магнитные фазовые превращения.

Экспериментально подтверждено, что во многих сильно коррелированных системах переход металл-диэлектрик может осуществляется через фазовое расслоение. Различают электронное и примесное разделение фаз. Электронное разделение фаз заключается в том, что носители заряда могут создать внутри кристалла область иной нормально нестабильной фазы и стабилизировать ее своей локализацией внутри этой области. Области измененной и исходной фаз, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать сложную геометрическую структуру. Принимая во внимание эту картину, многие транспортные явления и переход металл-диэлектрик в манганитах, купратах и других оксидах можно описать скорее в терминах перколяции, а не как внутреннее свойство, присущее гомогенному состоянию.

Нефермижидкостные свойства систем с СЭК могут приводить к необычным особенностям в квантовых явлениях, например, таких как эффект де Гааза-ван Альфена. Это явление может сопровождаться осцилляциями электросопротивления аналогично эффекту Шубникова-де Гааза. Однако периодичность обоих эффектов по обратному полю 1/H в нефермижидкостных системах может быть нарушена ввиду сильной магнитополевой зависимости химпотенциала.