近期，中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心與中科大雙聘研究員陸輕鈾與中科大翟曉芳、陸亞林教授合作，利用自制的低溫磁力顯微鏡系統(tǒng)（MFM），在張應(yīng)力LaCoO₃薄膜的磁性研究方面取得新進(jìn)展。通過微觀尺度上系統(tǒng)研究該體系中磁結(jié)構(gòu)的分布、尺寸、以及隨溫度、磁場演變的行為，在高質(zhì)量的LaCoO₃中觀測到亞微米尺度的本征相分離行為，發(fā)現(xiàn)了這類體系中鐵磁相的半占據(jù)狀態(tài)，解釋了相關(guān)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量值不符的原因。成果以Direct imaging revealing halved ferromagnetism in tensile-strained LaCoO3 thin films為題發(fā)表在Phys. Rev. Mat上。

　　近年來，磁性薄膜及界面因表現(xiàn)出其塊體材料往往不具備的新奇物理效應(yīng)或性能，從而得到磁性材料學(xué)家的廣泛關(guān)注。例如，塊體材料LaCoO₃在低于90K時(shí)為反磁性；高于90K時(shí)，由于熱激發(fā)效應(yīng)，體系轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)。然而，奇特的是，當(dāng)LaCoO₃生長在張應(yīng)力的襯底上時(shí)，它突然轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)鐵磁性，其居里溫度為85K。目前，領(lǐng)域內(nèi)大致認(rèn)可張應(yīng)力對(duì)系統(tǒng)鐵磁性產(chǎn)生的重要作用。然而，關(guān)于該體系中鐵磁性產(chǎn)生的機(jī)理，還有較大的分歧存在，張應(yīng)力LaCoO₃薄膜中鐵磁相出現(xiàn)的原因仍然不確定。此外，根據(jù)理論計(jì)算表面，在均勻的LaCoO₃薄膜中，由于Co³⁺高自旋與Co³⁺低自旋的超交換相互作用，計(jì)算出Co的磁矩大概約為2μB/Co。然而，到目前為止，實(shí)驗(yàn)測量出的數(shù)值只有理論值的一半（約1μB/Co）。實(shí)驗(yàn)與理論的不符，一直沒有一個(gè)很好的解釋。

　　合作組通過調(diào)控氧壓，合理選擇襯底取向等一系列手段，生長出結(jié)構(gòu)均勻，氧空位缺陷低于2%的優(yōu)越LaCoO₃樣品，其中氧空位缺陷已經(jīng)低于系統(tǒng)能測量的最低值。該樣品為研究并揭示LaCoO₃中鐵磁相的成因、性質(zhì)探究提供了基礎(chǔ)。為此，合作組期望利用低溫MFM磁成像技術(shù)，確定磁結(jié)構(gòu)分布。

　　合作組利用自制的低溫強(qiáng)磁場MFM系統(tǒng)，對(duì)LaCoO₃薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的微觀磁結(jié)構(gòu)成像研究，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)均勻的高品質(zhì)樣品中依然存在亞微米尺度上的本征相分離行為。此外，在4.5 K下，即使在13.4T的磁場中，鐵磁相依然處于一種半占據(jù)狀態(tài)，即體系中鐵磁相與非鐵磁相相各占據(jù)50%。這很好的解釋了實(shí)驗(yàn)測量值只有理論值一半的原因。該工作為理解體系中鐵磁相的產(chǎn)生以及形成機(jī)制提供直接微觀支撐。

　　文章鏈接地址：https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.3.074406。

　　圖：(a)-(h),4.5 K下MFM測量結(jié)果。(i)，鐵磁相百分比隨磁場的變化。(j), MFM信號(hào)方均根隨磁場變化。（k），鐵磁相尺寸分布圖。