清華物理系實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作在電場(chǎng)調(diào)控質(zhì)子化控制磁性研究中取得進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)1月15日電 1月10日，清華大學(xué)物理系于浦、楊魯懿等人的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)羅衛(wèi)東的理論研究團(tuán)隊(duì)合作在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊發(fā)表《電控質(zhì)子過(guò)程對(duì)SrRuO3磁態(tài)的調(diào)控》（Reversible manipulation of the magnetic state in SrRuO3 through electric-field controlled proton evolution）的文章。在該項(xiàng)工作中，研究者們?cè)谕ㄟ^(guò)電場(chǎng)控制的質(zhì)子過(guò)程實(shí)現(xiàn)SrRuO3磁態(tài)的可重復(fù)性調(diào)控，進(jìn)一步奠定了電場(chǎng)控制質(zhì)子化在過(guò)渡金屬氧化物量子物性調(diào)控中的重要地位，顯示出其在關(guān)聯(lián)材料新型電子相圖探索、新型量子態(tài)設(shè)計(jì)等研究領(lǐng)域中的美好前景。
在過(guò)渡金屬氧化物中，多種自由度（電荷、自旋、軌道和晶格）之間的耦合關(guān)聯(lián)作用賦予了其豐富多彩的量子物性，例如鐵磁性、超導(dǎo)性、多鐵性等等。如何調(diào)控這些自由度之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出新型量子物性和更優(yōu)功能特性成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的研究重點(diǎn)。在眾多氧化物體系中，4d過(guò)渡金屬氧化物SrRuO3由于其有趣的巡游鐵磁性和顯著的自旋軌道耦合效應(yīng)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。在眾多研究中，借助電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)SrRuO3磁性的調(diào)控，即磁電耦合，由于其在自旋電子學(xué)器件中的潛在應(yīng)用而成為研究熱點(diǎn)。在過(guò)去近二十年中，研究人員基于靜電場(chǎng)效應(yīng)調(diào)控，利用介電、鐵電和離子液體等多類(lèi)介質(zhì)材料對(duì)于SrRuO3的磁性調(diào)控進(jìn)行了廣泛而深入的探索，然而由于SrRuO3中顯著的載流子濃度，該系列研究的調(diào)控效果均不顯著。
圖：a.離子液體門(mén)電路調(diào)控實(shí)現(xiàn)SrRuO3的質(zhì)子化過(guò)程；b.X射線(xiàn)衍射測(cè)量表明SrRuO3中隨質(zhì)子化進(jìn)程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)相變；c.不同門(mén)電壓下霍爾電阻的變化表明材料經(jīng)歷鐵磁到順磁的磁轉(zhuǎn)變。
近年來(lái)，物理系于浦研究組提出了利用電場(chǎng)調(diào)控離子演化控制材料結(jié)構(gòu)、物性相變的研究思路，在SrCoO2.5、WO3、NiCo2O4等一系列過(guò)渡金屬氧化物薄膜中成功利用氫離子和氧離子演化，實(shí)現(xiàn)了電、磁學(xué)特性的有效調(diào)控，并逐步將該研究策略發(fā)展成為一種普適的量子物性調(diào)控思路。最近，他們與合作者一起將該研究策略首次拓展到SrRuO3的研究中，并取得顯著效果。研究表明，調(diào)控過(guò)程中來(lái)源于離子液體中的水電解后將產(chǎn)生質(zhì)子（氫離子），并在外加電場(chǎng)的作用下插入到SrRuO3薄膜中，形成全新物相HXSrRuO3（圖a）。而隨著質(zhì)子在薄膜中的含量逐漸增多，材料將伴隨著晶格膨脹引發(fā)的結(jié)構(gòu)相變（圖b）。由于電中性的需求，插入的帶正電質(zhì)子會(huì)復(fù)合一個(gè)電子，從而在材料中表現(xiàn)出電子摻雜效應(yīng)。相對(duì)于靜電調(diào)控的界面效應(yīng)，質(zhì)子化過(guò)程引起的電荷調(diào)控具有體效應(yīng)，在材料物性的調(diào)控中展現(xiàn)出顯然的優(yōu)勢(shì)。在SrRuO3的調(diào)控中，隨著質(zhì)子的注入其載流子濃度顯著提升，在霍爾測(cè)量中變現(xiàn)為由鐵磁性貢獻(xiàn)的反常霍爾效應(yīng)逐漸消失并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榫€(xiàn)性正?；魻栃?yīng)，該變化意味著材料經(jīng)歷了磁性金屬到順磁金屬的轉(zhuǎn)變（圖c）。
清華大學(xué)物理系博士生李卓璐、博士后沈勝春，上海交通大學(xué)研究生田子俊，多倫多大學(xué)研究生Kyle Hwangbo為文章的共同第一作者；清華大學(xué)物理系于浦教授，上海交通大學(xué)羅衛(wèi)東教授及清華大學(xué)楊魯懿副教授為文章的通訊作者。該工作還得到了英國(guó)杜蘭大學(xué)、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、新罕布什爾州大學(xué)合作者的大力支持。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心的資助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-019-13999-1
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：呂 婷
