近日，中科院合肥研究院強磁場中心陸輕鈾、盛志高課題組和國外相關機構合作，在錳氧化物CE相（一種由C型反鐵磁和E型反鐵磁一比一穿插而成的復合磁結構）的形成與表面相分離研究中取得重要進展，相關研究成果在線發表于期刊Npj Quantum Materials，周海彪是論文的第一作者。

　　鈣鈦礦錳氧化物是典型的強關聯材料，其展現出一系列性質迥異、相互競爭的電子相。其中，在窄能帶的半摻雜錳氧化物中出現的CE相是強關聯體系中極為特別的一種相，它是少有的同時表現出電荷、自旋與軌道序的絕緣相。雖然這種相的經典圖像早在上世紀50年代就被提出，但其形成機理與諸多性質仍處于探索中。

　　其中一個基本問題是，該相是如何形成的？錳氧化物中反鐵磁相和電荷有序相一般同時發生，但CE相卻是一個特例。例如，半摻雜的Pr_0.5Ca_0.5MnO₃的電荷有序相溫度為240 卡爾文，而長程反鐵磁序的形成溫度為175 開爾文。然而，其磁化率卻在電荷有序相溫度時就已經開始下降。這不能用傳統的反鐵磁相變來解釋，目前人們提出多種模型來解釋這種分歧，其中短程反鐵磁關聯和Zener極化子模型獲得了較多關注。另一個問題是，有Monte-Carlo模擬表明，在CE相的表面，由于出現多余的電荷，其會出現一個相分離的表面態，這或許可以解釋半摻雜錳氧化物顆粒中出現的鐵磁信號，但迄今為止，這種相分離的表面態還從未被證實過。

　　針對上述問題，強磁場中心陸輕鈾、盛志高課題組與日本理化研究所Masao Nakamura, Yoshinori Tokura以及Masashi Kawasaki等合作，利用強磁場中心的組合顯微測試系統平臺與SQUID系統，對Pr_0.5Ca_0.5MnO₃薄膜中CE相的形成與表面性質進行了研究。此類樣品的CE相是極其穩定的，一般需要近20T或更高的強磁場才能將絕緣態轉變成金屬態，并同時產生巨大的電阻率下降。這對測量儀器提出了挑戰。研究人員利用自主研制的組合顯微測試系統平臺中的磁力顯微鏡，對該薄膜隨溫度降低時發生的電荷有序相變與反鐵磁相變進行了成像。結果表面，在電荷有序相變溫度，伴隨著局域磁化率的降低，而在反鐵磁相變溫度，并未出現局域磁化率的變化。這與短程反鐵磁關聯模型一致，而不能用Zener極化子的順磁相來解釋。此外，在進入CE相之后，在樣品表面出現了局域的鐵磁區域（圖2），這表明出現了表面的相分離，這是對前述Monto-Carlo模擬結果的直接證實。

　　這項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院重大科技基礎設施維修改造項目、中科院前沿科學重點研究項目等基金的支持。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41535-021-00353-2 

　　圖1：電荷有序相溫度附近的MFM成像結果

　　圖2:進入CE相后表面出現的鐵磁區域