显微镜下的电子相分离研究

作者: 陆轻铀

来源: 中科院之声

发布日期: 2017-05-16 06:40:36

本文介绍了锰氧化物中电子相分离的研究,特别是铁磁与反铁磁相的共存现象,以及如何通过强磁场磁力显微镜(MFM)进行微观探测,揭示了电子相分离的微观行为和结构,这对于理解庞磁电阻效应及其在高密度磁存储材料中的应用具有重要意义。

水与冰是大家生活中常见的物质,水是液态,冰是固态。一盆水,结成冰,虽然水跟冰的成分相同(分子组成都是H2O),但是结构不同,从水到冰就发生了结构相的转变。如果一盆水,一半结冰一半还是水,从某种意义上来说,它就处在结构相分离状态。当成分相同但结构不同时,就造成了不同的结构相。

在某些锰氧化物中,由于电子排布方式不同,也会产生不同的相,例如铁磁(电子自旋是平行排布的,总磁矩不为0,例如大家都玩过的吸铁石)与反铁磁(相邻电子自旋是反平行的,总磁矩为0,吸铁石无法将其吸住),这些不同的相就是电子相。一些锰氧化物中,由于铁磁与反铁磁在能量上没有谁占绝对优势,所以铁磁与反铁磁可以同时存在,就如同冰跟水同在一个盆里一样,只是分离着的是不同的电子相,而非结构相。

由此可以大致知道,相分离就是指多种不同的相同时共存的情况。锰氧化物研究最多,最吸引人的特性之一就是庞磁电阻(CMR)效应,即随着外加磁场的改变,其电阻急剧变化。这一特性使其可以被制成微小、高密、灵敏的磁响应单元阵列,从而具有成为新一代高密度磁存储材料的潜力。

由于锰氧化物庞磁电阻效应的磁场调控灵敏度深受其电子相分离活性与行为的影响,要精确调控庞磁电阻效应,其电子相结构以及电子相分离行为的测量、控制与理解都是必不可少的。甚至可以说,要理解锰氧化物的庞磁电阻效应,首先就要理解其电子相分离。这既是研究热点,同时也是研究难点。在没有合适微观探测工具的情况下,科研工作者往往只能结合宏观测量工具,例如输运等对锰氧化物状态做出一个宏观、大致的推测。

微观尺寸(10-6m)上对相分离随着温度、磁场、时间的演变一直是一个较大的研究空缺。

为此,中科院合肥研究院强磁场科学中心陆轻铀研究员领导的课题组,利用自主设计研发的强磁场磁力显微镜(MFM)对该类样品做了一系列探究工作,最近两项成果(样品分别由吴文彬与曾长凎提供)已经分别在Nature子刊(Nature Communication 6, 8980(2015))以及美国化学会核心期刊NANO LETTERS(2017年17卷1461页)上发表。

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