界面調控新發現:單層氧化物薄膜的新型磁各向異性

發稿時間:2020-04-14瀏覽次數:10

自然界中存在的材料非常豐富,人類在日常生活中充分享受了各種各樣大自然的饋贈,比如鉆石、瑪瑙、石油、煤礦、金屬礦產等等。世界上還有另一類材料,它們靠人工合成實現,當我們想到各種各樣的材料時,通常不會想起它們,但這不代表它們不重要。薄膜就是這樣的一類材料,早期人們為了節省成本,把大塊單晶用微米甚至納米厚度的薄膜來代替,大大節省了成本,同時也提高了效率,這就是芯片的來源。

現在有一種新的研究,專門用于開發新材料,不同于一般的薄膜制備,這種研究通過人為選擇薄膜中的每一層原子或者分子層,像搭樂高一樣做出跟自然材料完全不同的新結構,這一類研究有一個專門的名詞,叫做界面調控。

以過渡金屬氧化物為代表的關聯電子體系,由于復雜而密切的多體相互作用,是新興量子材料研究的重要前沿領域。而在關聯氧化物量子態和量子態調控研究中,界面由于空間反演和平移對稱性破缺,能夠產生塊體中無法實現的層展物性,因此具有很大的空間用以發展新型量子材料,不僅是基礎科學產生突破性進展的重要平臺,也是處于萌芽狀態的關聯體系電子學的基礎,具有廣闊的應用前景。

德國馬普所Jochen Mannhart等曾指出:“把量子材料堆疊、放置在量子阱中,通過界面緊密聯系,或者通過控制應力、電場等參數,前所未有的量子效應就成為可能”。以往放置在量子阱中的大都是多分子層,對于這些多層界面,近鄰磁性層之間存在電子、自旋的交換和耦合相互作用。

一個新的科學問題是:在量子阱中的單層磁性層,不存在以上層間耦合作用時,界面磁性層中的強關聯電子是否會衍生新的磁性量子態?另一方面,關于二維鐵磁材料的研究方興未艾。在二維材料中能夠穩定住長程磁序的必要條件是磁各向異性。磁性氧化物單層是否會有跟普通二維材料不一樣的磁各向異性?

為了研究單分子界面層的磁性,研究人員選擇自旋軌道耦合(SOC)較強的氧化物SrRuO3SrRuO3具有很穩定的長程鐵磁序,和較高的磁轉變溫度(160 K)。他們通過脈沖激光沉積(PLD)制備了SrRuO3/(SrTiO3)超晶格,為原子層數,最小為1,最大為5。結構分析發現氧八面體沿著面內方向旋轉的角度遠小于沿著面外方向旋轉角,但旋轉角均不為零。磁光克爾效應(MOKE)、極化中子反射(PNR)等磁性測試證明了鐵磁性僅存在于單分子層SrRuO3中。通過各向異性磁阻測試,發現當隔絕層SrTiO3的厚度大于3層時,單層SrRuO3的磁各向異性從沿著<001>方向的2重變為沿著<111>方向的8重,自旋能夠實現以前未知的71度和109度翻轉。

通過第一性原理計算,發現在SrRuO3/(SrTiO3)超晶格中,隨著SrTiO3的厚度1層變到到5層,SrRuO3面外耦合減小,導致關聯效應增強。其結果是當SrTiO3的厚度大于3層時,SrRuO3單層中各個軌道上的電子分布發生改變,導致能隙打開。SrRuO3單層從原本的金屬態,轉變到半導體態。更重要的是,軌道上電子的重新分布,會進一步影響SrRuO3單層的自旋軌道相互作用,最終導致磁各向異性的改變。

示意圖:單層SrRuO3的磁各向異性變化。左圖:易磁化軸沿<001>方向。右圖:易磁化軸沿<111>方向。

該工作由中國科學技術大學陸亞林教授、翟曉芳副教授(現就職于上海科技大學)、上海紐約大學陳航暉副教授等組成的研究團隊共同完成,合作者包括美國阿貢國家實驗室周華、勞倫斯-伯克利國家實驗室Jinghua GuoPadraic Shafer、美國國家標準測量局Alexander Grutter、加州大學爾灣分校夏晶等人。研究成果以“Correlation-Driven Eightfold Magnetic Anisotropy in a Two-Dimensional Oxide Monolayer”為題,于2020410日在線發表在Science Advances上(SciAdv. 2020, 6(15): eaay0114)。論文通訊作者為翟曉芳和陳航暉,第一作者為中科大博士后崔璋璋。該工作得到了國家自然科學基金和科技部等的資金支持。

文章鏈接:http://advances.sciencemag.org/content/6/15/eaay0114


(合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)


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