近日，強磁場中心田明亮課題組劉艷博士在楊繼勇副研究員的指導下采用機械剝離單晶的辦法，結合電子束曝光和微納加工技術，制備了一系列具有納米尺度且厚度不同的高質(zhì)量Sr₄Ru₃O₁₀單晶薄片，通過磁輸運測量系統(tǒng)研究了其各向異性磁阻特性。

　　含有4d電子的鈣鈦礦釕氧化物Sr_n+1Ru_nO_3n+1(n=1, 2, 3,∞)體系材料因存在多種自由度，包括電荷、自旋、晶格以及軌道間的復雜相互作用，蘊含著豐富的物理現(xiàn)象，如自旋三重態(tài)配對的超導電性、非朗道費米液體行為、磁場誘導的量子臨界等，是凝聚態(tài)物理研究電子關聯(lián)的模型材料。Sr₄Ru₃O₁₀是Sr_n+1Ru_nO_3n+1體系中具有代表性的材料之一，該材料在T_C=105 K處會發(fā)生鐵磁轉(zhuǎn)變，在T_M～50–70 K處發(fā)生第二個磁轉(zhuǎn)變并伴隨在ab平面內(nèi)的變磁轉(zhuǎn)變（metamagnetic transition）。雖然該材料已經(jīng)被研究了二十多年，但關于第二個磁轉(zhuǎn)變的機理以及與變磁轉(zhuǎn)變的關系一直不清楚。

　　研究團隊通過實驗發(fā)現(xiàn)：納米薄片的第一個磁轉(zhuǎn)變溫度不隨厚度變化，而第二個磁轉(zhuǎn)變溫度T_M會隨著樣品厚度的減薄而降低，且其各向異性磁阻總是會在T_M處發(fā)生正負反轉(zhuǎn)，如圖1所示。即當外加磁場方向沿著c軸（或平行ab-面）時，在T_M<T<T_C，其磁阻信號為正（或負），而在T<T_M，其磁阻信號為負（或正）。這一結果充分表明納米薄片中的磁矩隨著溫度的降低在T_M處發(fā)生了從ab面到c方向的翻轉(zhuǎn)。

　　進一步的研究發(fā)現(xiàn)，引起納米薄片中自旋發(fā)生翻轉(zhuǎn)的原因是形狀各向異性與磁晶各向異性的競爭，其中形狀各向異性有利于自旋在ab面呈鐵磁排列，而磁晶各向異性有利于自旋沿c方向鐵磁排列，但其嚴重的受到c方向晶格長度的調(diào)制。因Sr₄Ru₃O₁₀中c軸的晶格常數(shù)在~70K以下存在負熱膨脹，這導致低溫下磁晶各向異性能增強，最終在T_M處完全克服形狀各向異性從而使得自旋發(fā)生翻轉(zhuǎn)。樣品越薄其形狀各向異性越強，這也是為什么T_M會隨著厚度降低而降低。

　　這些結果說明Sr₄Ru₃O₁₀中T_M處的第二個磁轉(zhuǎn)變并不是一個真正的熱力學相變，只是在該溫度處因晶格自由度的驅(qū)動，其自旋發(fā)生了重取向。相關工作以Magnetic reversal in Sr₄Ru₃O₁₀ nanosheets probed by anisotropic magnetoresistance為題發(fā)表在美國《物理評論B》( Physical Review B)上。

　　本工作所用單晶由Colorado大學的曹鋼教授提供。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。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.024425。

　　圖1. Sr₄Ru₃O₁₀納米薄片(d=260nm)在不同溫度下的磁阻。(a) H//ab; (b) H//c。