合肥研究院在強關(guān)聯(lián)電子材料研究中取得進展

　　最近，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮課題組在強關(guān)聯(lián)電子材料Sr4Ru3O10的磁結(jié)構(gòu)研究方面取得了新進展，相關(guān)工作以Evidence of in-plane ferromagnetic order probed by planar Hall effect in the geometry-confined ruthenate Sr4Ru3O10為題在美國《物理評論B》(Physical Review B)上作為快訊(Rapid Communications)發(fā)表。

　　在關(guān)聯(lián)電子體系中，含有4d電子態(tài)的鈣鈦礦釕氧化物Srn+1RunO3n+1(n=1, 2, 3,∞)存在多種自由度，包括電荷、自旋、晶格和軌道間的復雜相互作用，蘊含著豐富的物理現(xiàn)象，如p波超導電性、非朗道費米液體行為、磁場誘導的變磁量子臨界以及自旋密度波等，成為量子態(tài)調(diào)控研究的模型材料。Sr4Ru3O10是Srn+1RunO3n+1體系中具有代表性的材料之一，該材料在溫度低于居里溫度TC=105K時表現(xiàn)出奇異的磁各向異性，即c-方向為鐵磁性，而在ab-平面內(nèi)表現(xiàn)出順磁性，且在TM<50K時在磁場作用下出現(xiàn)所謂的變磁性(metamagnetic transition)。該材料所具備的這種奇異磁性質(zhì)被研究了近20年，但是其面內(nèi)磁結(jié)構(gòu)仍不清楚。

　　田明亮課題組在前期工作的基礎(chǔ)上（New. J. Phys. 18,053019 (2016）），采用機械剝離單晶的辦法，結(jié)合中心的電子束曝光微納加工系統(tǒng)制備了一系列具有不同納米尺度厚度的高質(zhì)量Sr4Ru3O10單晶薄膜，首次采用面霍爾效應(即面橫向磁阻)的測量方法，對其ab面內(nèi)的磁結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究。實驗發(fā)現(xiàn): 面霍爾電阻在面內(nèi)磁場下出現(xiàn)類“自旋閥”的不連續(xù)跳躍，且與面內(nèi)磁場和電流的夾角有關(guān)，但縱向磁阻沒有表現(xiàn)出類似的不連續(xù)跳躍現(xiàn)象。這一結(jié)果充分表明: 納米尺度厚度的Sr4Ru3O10面內(nèi)存在沿<110>方向排列的具有單磁疇性的鐵磁序，這與體材料的ab-面順磁的結(jié)果完全不同。進一步的研究表明，隨著溫度的降低，面鐵磁序會從單疇態(tài)逐漸演化為多疇態(tài)。這些新奇結(jié)果表明：厚度是調(diào)控關(guān)聯(lián)電子材料多量子態(tài)的有效參量，其豐富的奇異現(xiàn)象均與其自旋的再取向有關(guān)，對理解Sr4Ru3O10中的奇異磁特性提供了新的思路。

　　該工作所用單晶由Colorado大學教授曹鋼提供，由強磁場中心博士研究生劉艷在副研究員楊繼勇的具體指導下完成。項目實施過程中得到了國家自然科學基金委、國際創(chuàng)新團隊以及合肥大科學中心等的支持。

(a)樣品掃描電鏡SEM圖；(b) Sr4Ru3O10晶體結(jié)構(gòu)；(c)不同溫度下的面霍爾效應 (樣品厚度：34 nm)。