近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心雙聘研究員吳文彬課題組在氧化物自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域取得重大突破：首次制備出基于全氧化物外延體系的人工反鐵磁體——[La_2/3Ca_1/3MnO₃/CaRu_1/2Ti_1/2O₃]_N，觀察到隨外加磁場(chǎng)清晰的具有層分辨的分步磁化翻轉(zhuǎn)模式。該項(xiàng)成果以All-oxide-based synthetic antiferromagnets exhibiting layer-resolved magnetization reversal 為題發(fā)表在《科學(xué)》雜志上【Chen et al., Science 357, 191-194 (2017)】。文章第一作者為博士生陳斌斌，通訊作者為吳文彬。

　　人工反鐵磁體由于具有巨磁阻效應(yīng)，被成功應(yīng)用于商業(yè)磁存儲(chǔ)等領(lǐng)域，使得當(dāng)今云存盤和云計(jì)算等新興產(chǎn)業(yè)成為可能。如今，人工反鐵磁體不僅成為多種新型自旋電子學(xué)器件的重要組成部分（諸如磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等），也是研究反鐵磁材料的磁化動(dòng)力學(xué)和磁疇結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)問題的重要載體。 

　　長(zhǎng)期以來，針對(duì)人工反鐵磁體材料、物理和器件的研究多集中于過渡金屬及其合金材料。過渡金屬氧化物作為另一大類材料體系，因其高溫超導(dǎo)、龐磁電阻、磁電耦合、鐵電極化以及離子電導(dǎo)等一系列物理和化學(xué)效應(yīng)，早已成為人們廣為關(guān)注的研究對(duì)象。然而，在這類材料中，一種最基本的器件結(jié)構(gòu)單元——全氧化物人工反鐵磁體的缺失，嚴(yán)重阻礙了相關(guān)氧化物電子學(xué)和自旋電子學(xué)器件的研制和發(fā)展。 

　　這是因?yàn)椋苽淙趸锓磋F磁體非常困難，需要解決三個(gè)重大問題，其一，磁性氧化物普遍存在所謂的“死層”，即隨著薄膜厚度降低，其鐵磁性衰退乃至消失，這極大地制約了氧化物人工反鐵磁體的研制；其二，薄膜厚度起伏易導(dǎo)致相鄰磁性層之間形成靜磁耦合，而非反鐵磁耦合，故構(gòu)建超薄人工反鐵磁體要求高質(zhì)量的異質(zhì)外延生長(zhǎng)，保證各層均具有原子級(jí)平整和清晰界面；其三，要實(shí)現(xiàn)層間反鐵磁耦合和具有層分辨的分步磁化翻轉(zhuǎn)模式，磁性層必須具有較強(qiáng)的單軸磁各向異性；其四，反鐵磁層間交換耦合源于RKKY相互作用或自旋極化隧穿，合適的非磁性層包括電子結(jié)構(gòu)和缺陷態(tài)至關(guān)重要。 

　　吳文彬課題組長(zhǎng)期從事復(fù)雜氧化物的外延生長(zhǎng)及物性研究，近年來針對(duì)上述問題開展了一系列深入的研究[Appl. Phys. Lett. 103, 262402 (2013); 104, 242416 (2014); Nat. Commun. 6, 8980 (2015); Nature Mater. 15, 956 (2016); ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 34924 (2016)]。課題組發(fā)現(xiàn)，La_2/3Ca_1/3MnO₃(LCMO)/CaRu_1-xTi_xO₃(CRTO)界面由于Mn-O-Ru間電荷轉(zhuǎn)移可有效抑制LCMO鐵磁層的“死層”效應(yīng)；兩種材料具有完全匹配的晶格參數(shù)和對(duì)稱性，可得到完好的界面保證了多層膜和超晶格的外延生長(zhǎng)；其低對(duì)稱性正交結(jié)構(gòu)使磁性層具有單軸磁各向異性；另外，在CRTO非磁層中Ru、Ti含量的變化導(dǎo)致其電子態(tài)和輸運(yùn)性能可調(diào)。 

　　在此基礎(chǔ)上，課題組在LCMO/CaRu_1/2Ti_1/2O₃(CRTO)中發(fā)現(xiàn)了清晰的反鐵磁層間交換耦合效應(yīng)，首次觀察到從表層和內(nèi)部各磁性層分步磁化翻轉(zhuǎn)模式，給出了耦合強(qiáng)度隨各層厚度及溫度的變化規(guī)律，以及可能的耦合機(jī)制。該工作無疑對(duì)氧化物自旋電子學(xué)的發(fā)展將起到重要的推動(dòng)作用，同時(shí)也為功能氧化物界面的深入探索提供了新的平臺(tái)和思路。 

　　Science 雜志的審稿人評(píng)價(jià)稱：“這是一項(xiàng)非常高水準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)工作”，“當(dāng)前的研究在樣品質(zhì)量和表征上堪稱絕技”，“我認(rèn)為這些結(jié)果非常有趣且潛在地開辟了研究其它氧化物多層膜的一個(gè)新方向”。 

　　該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃以及合肥大科學(xué)中心的項(xiàng)目資助。 

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