作為5d過渡金屬氧化物的典型代表之一,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的SrIrO3(SIO)中自旋-軌道耦合(SOC)及電子關(guān)聯(lián)能(U)相當(dāng),二者的相互競爭使得SIO中存在豐富多彩的新奇量子效應(yīng),如金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變,順磁-反鐵磁轉(zhuǎn)變、以及Mott絕緣體-Slater絕緣體中間態(tài)。在3d?-?5d氧化物異質(zhì)界面上,3d體系引入的強(qiáng)電子-電子關(guān)聯(lián)(EEC)能夠調(diào)控界面附近電子的相互作用從而誘導(dǎo)出新奇物性。然而有關(guān)3d?-?5d界面處相互作用的物理機(jī)制,目前研究的還不夠清楚,某些方面還存在一定的爭議和分歧。此外,SIO具有較強(qiáng)的自旋霍爾效應(yīng)和較大的自旋霍爾角,這使其在氧化物自旋電子學(xué)方面很有應(yīng)用前景。將其與磁性材料制備成多層膜,可以產(chǎn)生對稱性誘導(dǎo)的各向異性自旋軌道轉(zhuǎn)矩、電流和晶向誘導(dǎo)的磁性開關(guān)等。然而,目前基于SIO的自旋-電荷轉(zhuǎn)換的調(diào)控手段都依賴于磁性材料,需要利用極化光子或磁場等來操縱電子的自旋狀態(tài)。如何在非磁性SIO中產(chǎn)生、探測和調(diào)控自旋流對于設(shè)計(jì)自旋相關(guān)器件而言十分關(guān)鍵。豐富和完善SIO材料在自旋電子學(xué)中的基礎(chǔ)研究,從而提高自旋-電荷轉(zhuǎn)換效率,發(fā)展新的自旋流探測手段對推動(dòng)氧化物自旋器件應(yīng)用有著重要意義。??
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心懷柔研究部HM-SF06課題組的孟夢副研究員和博士后谷明輝,在課題組組長郭建東研究員的帶領(lǐng)下,長期從事過渡金屬氧化物低維體系的可控外延制備與新奇物性探索。他們成功在3d強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)氧化物CaMnO3(CMO)中引入5d強(qiáng)SOC氧化物SIO并制備成高質(zhì)量的超晶格([In/Mn]m)樣品,其中SIO與CMO的總厚度固定在24個(gè)(m×n=24)原胞層。隨著周期數(shù)m的增加,體系發(fā)生了金屬-非金屬轉(zhuǎn)變,并且轉(zhuǎn)變溫度隨周期數(shù)m的增加而升高。通過詳細(xì)的低溫磁電阻分析表明,體系的金屬-非金屬轉(zhuǎn)變源于SOC和EEC之間的反相關(guān)性。準(zhǔn)二維特性的EEC能夠影響界面處SIO層的SOC強(qiáng)度,并向SIO內(nèi)部延伸一定的深度。本研究的相關(guān)內(nèi)容以“Modulation?of?the?Metal?Nonmetal?Crossover?in?SrIrO3/CaMnO3?Superlattices”為題發(fā)表在ACS?Applied?Electronic?Materials上。?
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.2c00655。?
最近,團(tuán)隊(duì)通過精確控制生長,成功在中心對稱的SIO中引入應(yīng)力梯度,打破其結(jié)構(gòu)的空間反演對稱性,從而在動(dòng)量空間中誘導(dǎo)出非平庸的自旋織構(gòu)。生長在NdGaO3襯底上的SIO薄膜厚度高于24原胞層時(shí),出現(xiàn)應(yīng)力梯度行為。即隨著厚度增加,應(yīng)力出現(xiàn)連續(xù)釋放。該機(jī)制出現(xiàn)的原因與晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配共同作用有關(guān)。進(jìn)一步,利用二階非線性磁電輸運(yùn)效應(yīng),在共格生長與應(yīng)力梯度的SIO薄膜中成功探測了動(dòng)量空間自旋織構(gòu)。以2π為周期的二階電阻本質(zhì)上闡明了非線性的自旋-電荷相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)沒有應(yīng)力梯度時(shí),由于SIO薄膜界面處對稱性破缺能夠產(chǎn)生二階單向?qū)щ娦裕坏?dāng)引入應(yīng)力梯度之后,SIO表現(xiàn)出兩套非線性磁電效應(yīng)的疊加,其中一套來自界面對稱性破缺,另一套則來自應(yīng)力梯度引入的體對稱性破缺,兩者的費(fèi)米面翹曲性質(zhì)完全不同。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次提出應(yīng)力梯度可以作為一種有效的調(diào)控動(dòng)量空間自旋織構(gòu)的方法,并且提供了一種在中心對稱體系中引入自旋劈裂的思路,有望在其他中心對稱的強(qiáng)SOC材料中推廣。?
本研究的相關(guān)內(nèi)容以“Momentum-space?spin?texture?induced?by?strain?gradient?in?nominally?centrosymmetric?SrIrO3?films”為題發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National?Science?Review)上。懷柔研究部HM-SF06組博士后谷明輝和HM-T03組博士生盛昊昊為該論文的共同第一作者,通訊作者為王志俊研究員、孟夢副研究員和郭建東研究員。本工作中的結(jié)構(gòu)表征、微加工和宏觀輸運(yùn)表征等實(shí)驗(yàn)均是在綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置(SECUF)上完成,本工作還得到了北京大學(xué)高鵬教授在掃描透射電鏡方面的大力幫助。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。?
原文鏈接:https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwad296/7440018。
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圖1.?[(SrIrO3)n/(CaMnO3)n]m超晶格的結(jié)構(gòu)表征。
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圖2.?[(SrIrO3)n/(CaMnO3)n]m超晶格隨著周期數(shù)改變發(fā)生的金屬-非金屬轉(zhuǎn)變。
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圖3.?非線性磁電效應(yīng)示意圖。
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圖4.?不同厚度SrIrO3薄膜的結(jié)構(gòu)表征。
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圖5.?應(yīng)力梯度下SrIrO3薄膜的二階轉(zhuǎn)角電阻。
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圖6.?應(yīng)力梯度下SrIrO3薄膜表現(xiàn)出兩套非線性磁電效應(yīng)的疊加。
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圖7.?應(yīng)力梯度導(dǎo)致的SrIrO3在動(dòng)量空間的自旋織構(gòu)。