界⾯准⼆维室温垂直磁各向异性铁磁态研究进展

作者: M03组博⼠⽣时⽂潇、松⼭湖材料实验室张静副研究员

来源: 中科院物理所

发布日期: 2024-06-13 16:48:36

中国科学院物理研究所的研究团队通过将LSMO超薄层插入至具有平面无限层结构的SrCuO2层中,成功在仅为2个单胞层厚度的LSMO层中保持了其铁磁序,并表现出显著的垂直磁各向异性。这一发现为探索多功能磁性复合材料和器件提供了新的思路。

关联氧化物异质界⾯多⾃由度之间强烈的层间耦合效应,为构筑奇异界⾯量⼦新物态和调控材料磁电功能提供了重要⼿段。La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)是钙钛矿氧化物中居⾥温度最⾼(Tc=370K)的铁磁性材料,且具有100%⾃旋极化率和良好导电性,是氧化物⾃旋电⼦学研究中最具有代表性的明星材料。然⽽,将LSMO制备成超薄薄膜时,其室温铁磁特性随即消失,即所谓的磁死层效应。

现代电⼦技术的发展对器件⼩型化的要求越来越⾼,磁死层的存在极⼤地阻碍了基于LSMO材料的⾃旋电⼦器件的设计和应⽤。如何在超薄LSMO薄膜中保持其铁磁序,成为了研究⼈员重点关注的问题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼磁学国家重点实验室M03组近年来致⼒于氧化物异质界⾯物性设计及调控⽅⾯的研究⼯作。

最近,该组博⼠研究⽣时⽂潇,在陈沅沙副研究员、孙继荣研究员的共同指导下,联合物理所朱涛研究员,松⼭湖材料实验室张静副研究员等,通过将LSMO超薄层插⼊⾄具有平⾯⽆限层结构的SrCuO2层(P-SCO)中,成功在仅为2个单胞层厚度的LSMO层中仍然保持了其铁磁序。特别地,在该异质结构中,LSMO⼦层厚度远⼩于反铁磁绝缘的P-SCO间隔层,可以将其看做是⼀种准⼆维铁磁态。

通过宏观磁性、磁电输运、极化中⼦反射、X射线吸收谱等测量⼿段,他们证明了正是LSMO/P-SCO界⾯的耦合效应抑制了磁死层的出现,在异质界⾯处产⽣了⼀个完全不同于体相LSMO的界⾯铁磁相。该界⾯铁磁相在2个单胞层厚度的情况下居⾥温度约为260K,⽽在4个单胞层厚度时达到300K室温,且表现出显著的垂直磁各向异性。

随后,通过X射线吸收谱实验揭示了LSMO/P-SCO界⾯上强烈的Mn离⼦向Cu离⼦的电荷转移,这最终导致了Mn离⼦的d电⼦优先占据d3z2-r2轨道,从⽽稳定了准⼆维LSMO层中的垂直磁各向异性。这⼀⼯作成功证明钙钛矿/⽆限层界⾯耦合将是操纵氧化物轨道构型和相关物理性质的⼀种有效⼿段。

这种基于⾮对称界⾯氧配位的界⾯调控⽅法有可能打破常规钙钛矿/钙钛矿对称界⾯调控的局限性,为探索多功能磁性复合材料和器件提供新的思路。

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