La₀.₇Sr₀.₃MnO₃/SrCuO₂界面准二维室温垂直磁各向异性铁磁态 | 进展

关联氧化物异质界面多自由度之间强烈的层间耦合效应，为构筑奇异界面量子新物态和调控材料磁电功能提供了重要手段。La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）是钙钛矿氧化物中居里温度最高（Tc=370K）的铁磁性材料，且具有100%自旋极化率和良好导电性，是氧化物自旋电子学研究中最具有代表性的明星材料。然而，将LSMO制备成超薄薄膜时，其室温铁磁特性随即消失，即所谓的磁死层效应。现代电子技术的发展对器件小型化的要求越来越高，磁死层的存在极大地阻碍了基于LSMO材料的自旋电子器件的设计和应用。如何在超薄LSMO薄膜中保持其铁磁序，成为了研究人员重点关注的问题。

图1  LSMO/P-SCO超晶格结构表征。 

以往关于磁死层效应的研究工作认为，超薄LSMO层中出现的轨道极化，即某一d轨道的优先占据将削弱Mn离子之间的双交换作用，从而使体系趋向于C型反铁磁态。那么，如果能够有效地抑制LSMO薄膜的轨道极化，将有可能避免磁死层的产生。基于这一物理理解，人们已经将通常6~10单胞层厚度的磁死层成功地抑制至了3个单胞层厚度。但是，根据布鲁诺模型，锰氧化物中Mn离子d电子轨道的轨道极化的抑制将意味着薄膜样品变得各向同性。然而，磁各向异性（特别是垂直磁各向异性）对于设计低功耗和高速磁电器件是至关重要的，是否能够在超薄LSMO薄膜中保持其铁磁基态的同时实现强烈的磁各向异性，仍然是值得深入研究的科学问题。

图2  LSMO/P-SCO超晶格的磁测量。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组近年来致力于氧化物异质界面物性设计及调控方面的研究工作。最近，该组博士研究生时文潇，在陈沅沙副研究员、孙继荣研究员的共同指导下，联合物理所朱涛研究员，松山湖材料实验室张静副研究员等，通过将LSMO超薄层插入至具有平面无限层结构的SrCuO₂层（P-SCO）中，成功在仅为2个单胞层厚度的LSMO层中仍然保持了其铁磁序。特别地，在该异质结构中，LSMO子层厚度远小于反铁磁绝缘的P-SCO间隔层，可以将其看做是一种准二维铁磁态。通过宏观磁性、磁电输运、极化中子反射、X射线吸收谱等测量手段，他们证明了正是LSMO/ P-SCO界面的耦合效应抑制了磁死层的出现，在异质界面处产生了一个完全不同于体相LSMO的界面铁磁相。

图3  LSMO/P-SCO超晶格的PNR和XLD测量。

该界面铁磁相在2个单胞层厚度的情况下居里温度约为260K，而在4个单胞层厚度时达到300K室温，且表现出显著的垂直磁各向异性。随后，通过X射线吸收谱实验揭示了LSMO/P-SCO界面上强烈的Mn离子向Cu离子的电荷转移，这最终导致了Mn离子的d电子优先占据 d3𝑧²−𝑟²轨道，从而稳定了准二维LSMO层中的垂直磁各向异性。这一工作成功证明钙钛矿/无限层界面耦合将是操纵氧化物轨道构型和相关物理性质的一种有效手段。这种基于非对称界面氧配位的界面调控方法有可能打破常规钙钛矿/钙钛矿对称界面调控的局限性，为探索多功能磁性复合材料和器件提供新的思路。

图4  LSMO/P-SCO超晶格的电输运测量。

本研究的相关内容以“Emergent quasi-two-dimensional ferromagnetic state with perpendicular magnetic anisotropy at La0.7Sr0.3MnO3/SrCuO2interface”为题发表在国际物理领域知名期刊《应用物理评论》 (Applied Physics Reviews)上，并被甄选为Featured Article。M03组博士生时文潇、松山湖材料实验室张静副研究员为该论文的共同第一作者，通讯作者为陈沅沙副研究员和孙继荣研究员。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委项目、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院重点项目的支持。该工作利用国内的大科学装置包括中国散裂中子源和上海同步辐射光源BL08U1A线站等。

编辑：ArtistET