中國科大等在關聯氧化物摩爾調控研究中取得進展

  由于石墨烯等二維范德瓦爾斯材料層間相互作用非常弱,容易解理并堆垛形成各種人工異質或同質結構。當堆垛的兩層之間有微弱的晶格差異或微小的轉角時,就會形成摩爾(moiré)圖案。近期研究發現這些二維異質結或同質結體系在摩爾周期勢場作用下,展現出了許多新奇的物理現象,比如在魔角雙層石墨烯中發現了關聯絕緣態以及非常規超導態。

  然而到目前為止,摩爾圖案的構造還局限于二維范德瓦爾斯體系。如果這種摩爾調控能夠拓展到其它體系,特別是強關聯體系中,將有可能發現更多新穎物性。近日,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心和物理系中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦課題組與美國石溪大學劉夢昆課題組等合作,首次在鈣鈦礦錳氧化物這一關聯電子體系中實現了電子相的摩爾調控。該研究成果以Moir Engineering of Electronic Phenomena in Correlated Oxides 為題于46日在線發表在《自然-物理》上(Nature Physics,DOI:10.1038/s41567-020-0865-1)。

  關聯氧化物中,電荷、自旋、軌道等自由度與晶格有很強的耦合,因此該研究團隊設想有可能通過應力工程在關聯氧化物中實現摩爾圖案。他們在有周期性臺階的LaAlO3 (LAO)襯底上生長了La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO)薄膜,發現由于界面耦合效應,LSMO薄膜中存在兩種來源不同但周期相近的應力周期勢場,一種來自襯底臺階,另一種來自LSMO薄膜本身的孿晶疇。他們利用近場光學顯微鏡(SNOM)發現,當兩種周期勢場以較小的角度交疊在一起時,其共同作用會產生微米尺度的局域導電性的摩爾圖案調制(如圖)。在LSMO體系中,導電性與應力之間有著非線性的依賴關系,所以調控效果非常顯著。通過對其中一種應力勢場的周期或者曲率的小幅度調節,可以實現LSMO薄膜中摩爾紋形狀的大幅度改變。在關聯錳氧化物中,導電性和磁性直接相關。進一步的磁力顯微鏡研究的確發現了與導電性摩爾條紋相對應的鐵磁性摩爾條紋。LSMO的順磁-鐵磁轉變進一步調控了其電子摩爾條紋:在居里溫度以下,導電性摩爾條紋與鐵磁性摩爾條紋共存;而在居里溫度之上,導電性摩爾條紋還在,但鐵磁性摩爾條紋消失。這一發現首次將摩爾調控的概念拓展到了非范德瓦爾斯二維體系,也為在外延薄膜中實現可控的電子條紋以及相應的新奇物性探索提供了一種全新的手段。

  中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心和物理系教授曾長淦、特任副研究員李林與美國石溪大學教授劉夢昆、哥倫比亞大學教授D. N. Basov為論文共同通訊作者。中國科大博士后范曉東、特任副研究員李林與美國石溪大學博士生陳昕中為論文共同第一作者。該工作得到國家自然科學基金、科技部、安徽省以及中科院的資助。

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圖:a. 利用兩種不同應力勢場的耦合在LSMO薄膜中實現摩爾調控的示意圖。 b.c. SNOM測量得到的電子相摩爾紋圖案,b為直線型,c為彎曲型。

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