作者:张思玮 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/5/25 20:32:16
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“自制”显微镜识破电子“相”

LaCa0.33MnO3单晶薄膜样品在160 K低温下的变磁场循环MFM图像。

一直以来,科学家对锰氧化物的庞磁电阻(CMR)效应研究始终保持高昂热情。

所谓的庞磁电阻(CMR)效应,就是指随着外加磁场的改变,锰氧化物电阻急剧变化。而恰恰锰氧化物这一特性,能够使其具有成为新一代高密度磁存储材料的潜力。

“而要精确调控庞磁电阻效应,其电子相结构以及电子相分离行为的测量、控制与理解都是必不可少的。甚至可以说,要理解锰氧化物的庞磁电阻效应,首先就要理解其电子相分离。”中国科学院强磁场科学中心研究院研究员陆轻铀在接受《中国科学报》记者采访时说。

那么,该如何理解电子相和相分离呢?

陆轻铀以水和冰为例进行解释:水是液态,冰是固态。一盆水结成冰,虽然水和冰的成分相同,分子组成都是H2O,但是水和冰的结构不同,从水到冰就发生了结构相的转变。如果一盆水,一半结冰一半还是水,从某种意义上来说,它就处在结构相分离状态。当成分相同但结构不同时,就造成了不同的结构相。

同样,在某些锰氧化物中,由于电子排布方式不同,也会产生不同的相,例如铁磁与反铁磁,这些不同的相就是电子相。

“铁磁与反铁磁在能量上没有谁占绝对优势,所以铁磁与反铁磁可以同时存在,就如同冰和水同在一个盆里一样,只是分离的是不同的电子相,而非结构相。由此可知,相分离就是多种不同的相一起共存的情况。”陆轻铀说。

遗憾的是,在没有合适微观探测工具的情况下,科研工作者往往只能结合宏观测量工具,对锰氧化物状态做出一个宏观、大致的推测。特别是在微观尺寸(10-6m)上对相分离随着温度、磁场、时间的演变一直是一个较大的研究空缺。

为此,陆轻铀课题组利用自主设计研发的强磁场磁力显微镜(MFM)对该类样品做了一系列探究工作,相关成果分别在Nature子刊(Nature Communication 6,8980)以及美国化学会核心期刊NANO LETTERS(2017年17卷1461页)上发表。

实验中,陆轻铀的课题组以LaCa0.33MnO3单晶薄膜样品(中国科学院合肥物质科学研究院研究员吴文彬提供)观察对象,在160 K低温下,用MFM对其变磁场循环情况进行研究,结果发现,在0T(无外加磁场)的初始状态,样品处于电子相分离状态,反铁磁与铁磁随机分布。但随着磁场强度的增强,反铁磁慢慢被融化形成铁磁,直到4T,所有反铁磁全部熔化为铁磁。

或许,这一加场反铁磁融化过程不足为奇,因为很多课题组都观察到过这个现象。但是随着磁场的降低,例如降至1.5和1.2T 时,反铁磁以特定的“条状”从纯铁磁态析出。最终降低到0T时,反铁磁“条”几乎全部占满了整个区域。这个逆向过程,为世界首次观测到,也是该研究的最大亮点。

“这正是因为使用自主研发的仪器,能在低温强磁场下工作,所以能做出别人未能完成的工作。”陆轻铀说。

另外的一项研究显示,该课题组选取了La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3纳米线样品(中国科学技术大学教授曾长淦提供)。在高温区,纳米线主要由反铁磁相(青色)组成,铁磁相(红色)呈液滴态分布在其中。随着温度的降低,铁磁液滴长大,形成电子相分离状态。特别在低温,比如50K时,零场或者低场下,相邻铁磁畴被中间剩余的较薄反铁磁相隔开,形成隧穿结构。随着磁场增大,部分反铁磁转化为铁磁畴,形成隧穿结。由于一维各向异性,在低温强磁场下反铁磁仍能稳定存在,只是被压缩成很细的条带,从而在纳米线中形成本征的隧道结:一种稳定的新型量子逾渗态。

虽然理论模型能很好地解释输运的测量,但是科学界一直缺乏一个微观上的实空间直接观测证据。为此,陆轻铀课题组采用专门针对微米甚至纳米小器件设计的磁力显微镜,对该样品进行准确定位和控温变场测量,进而对理论模型进行印证。

“其实,更多、更奇妙的电子相结构与行为是必然存在的,有待我们自主研制各种具有调控能力的‘慧眼’去发现、调制、理解。”陆轻铀说。

 

 
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