鐵磁必金屬？中國團(tuán)隊(duì)打破鐵律實(shí)現(xiàn)室溫鐵磁絕緣體

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鐵磁體通常是金屬，絕緣體往往不導(dǎo)磁。這個(gè)看似理所當(dāng)然的物理常識(shí)，近日被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)推翻。他們?cè)凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》發(fā)表的成果表明，通過精巧的界面設(shè)計(jì)，科學(xué)家首次在過渡金屬氧化物中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的室溫鐵磁絕緣態(tài)。這類材料在自然界并不存在，卻是下一代自旋電子器件夢(mèng)寐以求的載體。

鐵磁絕緣體需要同時(shí)滿足兩個(gè)矛盾條件。材料內(nèi)部要有自發(fā)磁矩排列，這通常需要自由電子參與交換作用；同時(shí)又要阻止電荷流動(dòng)，表現(xiàn)出絕緣特性。在過渡金屬氧化物中，這個(gè)矛盾尤為尖銳。

錳酸鑭鍶是典型的氧化物磁性材料。按照傳統(tǒng)的雙交換機(jī)制，鐵磁有序性必然伴隨金屬導(dǎo)電性。電子通過錳離子之間的跳躍傳導(dǎo)，既產(chǎn)生磁性又帶來導(dǎo)電。過去三十年，材料科學(xué)家一直在尋找打破這個(gè)"鐵磁即金屬"鐵律的方法，但多數(shù)成果停留在液氮溫度以下，或需要極端高壓環(huán)境。

室溫穩(wěn)定存在的鐵磁絕緣體，堪稱凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的圣杯之一。

中科大團(tuán)隊(duì)采用了異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面工程策略。他們利用自主搭建的脈沖激光沉積系統(tǒng)，生長出銥酸鍶/錳酸鑭鍶超晶格。關(guān)鍵在于選擇了（111）晶面取向，而非常規(guī)的（001）取向。

這種取向改變了界面處的原子排布方式。密度泛函理論計(jì)算顯示，（111）界面抑制了直接的電荷轉(zhuǎn)移。X射線磁性圓二色測(cè)試證實(shí)，室溫鐵磁性仍源于錳酸鑭鍶的雙交換相互作用，但輸運(yùn)測(cè)量顯示體系在接近300K時(shí)呈現(xiàn)絕緣行為。

團(tuán)隊(duì)提出了自旋軌道耦合誘導(dǎo)絕緣化的新機(jī)制。銥元素具有強(qiáng)自旋軌道耦合特性，在（111）界面處與錳酸鑭鍶內(nèi)的極化子發(fā)生耦合。這種耦合增強(qiáng)了電子與晶格振動(dòng)的相互作用，有效降低了載流子的平均自由程，最終實(shí)現(xiàn)了絕緣化。

磁輸運(yùn)測(cè)量中觀察到的弱反局域化信號(hào)，為強(qiáng)自旋軌道耦合的存在提供了直接證據(jù)。

這項(xiàng)工作標(biāo)志著中國在氧化物異質(zhì)結(jié)研究領(lǐng)域的持續(xù)領(lǐng)跑。從上世紀(jì)九十年代發(fā)現(xiàn)龐磁阻效應(yīng)以來，稀土錳氧化物一直是凝聚態(tài)物理的熱門戰(zhàn)場(chǎng)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院物理所等機(jī)構(gòu)在脈沖激光沉積、氧化物分子束外延等制備技術(shù)上已有二十年積累。

自主搭建的薄膜生長系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。高端薄膜沉積設(shè)備長期依賴進(jìn)口，而實(shí)現(xiàn)原子級(jí)銳利界面需要精準(zhǔn)的原位監(jiān)控技術(shù)。中科大團(tuán)隊(duì)掌握的核心工藝，確保了超晶格結(jié)構(gòu)的界面質(zhì)量與低原子擴(kuò)散特性，這是獲得理想物性的物質(zhì)基礎(chǔ)。

在國際競(jìng)爭(zhēng)格局中，室溫鐵磁絕緣體的實(shí)現(xiàn)為中國在自旋電子學(xué)賽道搶占了先機(jī)。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體自旋器件相比，過渡金屬氧化物具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子特性，可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的量子態(tài)調(diào)控。這項(xiàng)研究不僅提供了新的材料平臺(tái)，更建立了"通過界面取向調(diào)控電子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度"的新范式。

《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters） 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 國家自然科學(xué)基金