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物理所压电应变场诱导的反常渗流输运研究取得进展

物理所压电应变场诱导的反常渗流输运研究取幸运28得进展

  在强关联电子系统中,相分离现象是被普遍观察到的现象之一。由于分离相之间的共存和竞争,通常会出现渗流驱动的绝缘体-金属转变,并伴随有明显的热滞后,反映了绝缘体-金属转变的一级相变特性。近年来,以负的热滞后为特征的反常渗流输运现象在多个锰氧化物体系中相继被观察到,由于其背离了普遍接受的渗流图像,因而引起了人们极大的兴趣。

    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室副研究员王晶、研究员胡凤霞及博士研究生赵莹莹等利用衬底的反压电特性,通过引入外加电场诱导的各向异性应变场,在相分离(011)-Pr(Ca,Sr)MnO3/PMN-PT薄膜中首次观察到了人工调节的反常渗流输运行为。他们发现10kV/cm电场作用下样品在金属绝缘转变附近出现了方向依赖的显著的反常负热滞后([100]方向~-17.5K,[01-1]方向~+4.5K)。进一步地,当在[100]方向施加5T外磁场时,[01-1]方向由正常的热滞后变为负滞后而[100]方向则从正常热滞后变为负滞后。有意思的是,伴随该各向异性的反常热滞后,在面内[100]方向同时出现了高达~11460%的超大正电致电阻。研究表明该反常渗流输运行为和面内各向异性应变场诱导的铁磁团簇择向生长及轨道择优占据密切相关。铁磁团簇的择向生长导致升降温过程中铁磁金属和电荷有序绝缘相的形状和尺寸的空间分布出现明显差异,使得升温过程电阻率显著高于降温过程从而诱发反常热滞后。而[100]方向施加的磁场会显著破坏铁磁畴在[01-1]方向的择向生长并使其转而倾向沿[100]方向优先生长,从而导致面内两方向的渗流输运行为发生反转。同时,铁磁团簇的择向生长还导致两相在面内不同方向呈现明显的非均匀分布,使得反常热滞后出现方向依赖性。进一步分析表明伴随反常热滞后出现的各向异性超大电致电阻是面内各向异性应幸运28变场和极化效应共同作用的结果。这些实验结果首次给出了反常渗流输运和相分离各相不均匀分布存在密切关联的强有力证据,对强关联体系中渗流机制的研究具有重要启示意义。该研究结果发表在Scientific Reports, 4, 7075; DOI:10.1038/srep07075 (2014)上。

  在此工作基础上,近期,王晶、胡凤霞及赵莹莹等人与阿卜杜拉国王科技大学教授张西祥合作,进一步研究了电场诱导的各向异性应变场对磁电耦合效应的影响。应变传递的电场控制磁记忆效应研究对实现低能耗、高密度、高速非易失信息存储具有重要意义。他们在前期对锰氧化物薄膜体系压电应变效应系列研究的基础上,利用(011)-PMN-PT衬底的各向异性反压电效应,对宽能带Pr0.7Sr0.3MnO3薄膜中的电场调控磁性进行了系统研究。通过在降温过程中引入电场诱导的面内各向异性应变场,在远离居里温度处观察到了面内各向异性的非易失磁性调控。更有趣的是,实验发现该各向异性的磁记忆效应随着温度趋近居里温度而逐渐消失,表明其对自旋序的强烈依赖性。分析表明该各向异性的磁记忆效应与各向异性应变场下铁磁畴的择向生长及其产生的磁各向异性能密切相关,其温度依赖性来源于热扰动能与各向异性应变场诱导的亚稳磁状态与基态之间势垒的平衡。该工作提出了实现磁电耦合记忆效应的新方法,揭示了亚稳磁状态在压电应变传导的磁电耦合记忆效应中的重要地位。该项研究成果不仅对准确理解磁电耦合记忆效应背后的物理机制具有重要的启示作用,而且为设计新型热辅助电写入磁存储器件提供了极具发展前景的新技术。相关结果发表在近期Scientific Reports, 5, 9668; DOI:10.1038/srep09668 (2015)上。

  相关研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部和中科院有关基金的支持。

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图1. (011)-Pr0.7(Ca0.6Sr0.4)0.3MnO3/PMN-PT在外电场作用下的反常渗流输运

    图2. 各向异性应变场导致铁磁金属团簇在面内沿拉伸应变较大的[01-1]方向择向生长,使得金属畴沿[01-1]方向拉伸。

    图3. (011)-PSMO/PMNPT异质结构由电场引入的各向异性应变场调控的磁性和磁记忆效应。100K下(a)面内[100]方向和(b)面内[01-1]方向、200K下(c)面内[100]方向和(d)面内[01-1]方向的磁滞回线。黑色线为零电场下测量,红色线为7.8kV/cm电场下测量,绿色线为撤去7.8kV/cm电场后零电场下测量。可以看出:100K时,面内两个方向的红色线、绿色线均重合,即非易失性磁记忆效应。而200K时,绿色线几乎回到和黑色线重合,即磁记忆效应消失。

    图4. (a)零电场(基态)和(b)+7.8kV/cm(亚稳态)降温下PSMO薄膜中铁磁畴分布的示意图。图的上半部显示不同情形下亚稳态和基态之间的能量势垒。