寧波材料所研究人員在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的電子液晶相研究方面取得進(jìn)展
在強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系,由于電子之間的強(qiáng)相互作用,導(dǎo)致了許多新奇的物理現(xiàn)象,如高溫超導(dǎo)、龐磁電阻效應(yīng)、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、量子相變和量子臨界現(xiàn)象等等。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系一直是材料學(xué)、物理學(xué)、電子器件等領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。直到現(xiàn)在,各學(xué)科仍在該體系進(jìn)行合作研究,以了解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料復(fù)雜的物理現(xiàn)象及其背后的物理機(jī)制。最近,在高溫超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)的各向異性電子液晶相(Nematic phase)被認(rèn)為可能是解釋高溫超導(dǎo)起源的重要因素之一。但是在其他強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中電子液晶相鮮有報(bào)道并且這種新的電子相的微觀起源還不清楚。
中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員王保敏副研究員系統(tǒng)研究了龐磁電阻錳氧化物薄膜在不同應(yīng)力狀態(tài)下電輸運(yùn)行為及其微觀機(jī)制。首先,利用脈沖激光沉積(PLD)方法在不同單晶襯底上外延了原子級(jí)平整的高質(zhì)量La0.7Sr0.3MnO3薄膜;隨后,研究了薄膜在不同應(yīng)力狀態(tài)下的電輸運(yùn)行為,發(fā)現(xiàn)La0.7Sr0.3MnO3在受到大的拉應(yīng)力情況下低溫下表現(xiàn)出出人意料的各向異性電輸運(yùn)行為。已有報(bào)道顯示,La0.7Sr0.3MnO3在大的拉應(yīng)力下,材料的磁基態(tài)會(huì)由鐵磁轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>A型反鐵磁,從而束縛電子(空穴)只能在一個(gè)二維的平面內(nèi)傳輸。因此,觀察到的各向異性電輸運(yùn)行為可能與大的拉應(yīng)力誘導(dǎo)的二維電子輸運(yùn)特性密切有關(guān)。這與在高溫超導(dǎo)體里面觀察到的各向異性電子液晶相存在的情形非常相似,同時(shí)這也解釋了為什么La0.7Sr0.3MnO3在壓應(yīng)力或小的拉應(yīng)力下都觀察不到各向異性的電輸運(yùn)。利用逐漸增加薄膜厚度以及外加磁場手段來破壞A型反鐵磁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,電輸運(yùn)測量發(fā)現(xiàn)低溫部分的各向異性逐漸減弱直至消失。這些結(jié)果進(jìn)一步表明電輸運(yùn)的各向異性與二維導(dǎo)電平面的存在密切相關(guān)。隨后,科研人員借助同步輻射X-射線吸收譜研究發(fā)現(xiàn)各向異性電輸運(yùn)與體系中Mn-O軌道雜化的各向異性有著直接的關(guān)聯(lián)。第一性原理計(jì)算也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。該研究發(fā)現(xiàn)為理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中各向異性電子液晶相的微觀起源提供重要啟示。研究結(jié)果對(duì)未來研發(fā)基于強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料的電子器件具有重要的指導(dǎo)意義。
相關(guān)研究結(jié)果已在Nature子刊Nature Communications上發(fā)表。Nature Communications 4, 2778 (2013)。http://www.nature.com/ncomms/2013/131113/ncomms3778/full/ncomms3778.html

不同襯底上LSMO薄膜的高分辨XRD結(jié)構(gòu)譜和表面形貌圖
(結(jié)果顯示可以通過改變單晶襯底來制備受不同應(yīng)力的高質(zhì)量LSMO薄膜)

LSMO在不同應(yīng)力狀態(tài)下電輸運(yùn)的各向異性
(結(jié)果顯示在受到大的拉應(yīng)力下LSMO薄膜低溫表現(xiàn)出了異常的面內(nèi)各向異性)

LSMO在大的拉應(yīng)力下Mn-3d和O-2p的X射線吸收譜以及電子在雜化軌道間轉(zhuǎn)移的示意圖
(結(jié)果顯示大的拉應(yīng)力下,LSMO中Mn-3d軌道沒有發(fā)生大的各向異性,然而Mn3d-O2p軌道雜化出現(xiàn)了異常的各向異性,這一個(gè)結(jié)果可能是產(chǎn)生電輸運(yùn)各向異性的起源)
(磁材事業(yè)部)