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强磁场中心在强关联电子材料Sr4Ru3O10研究中取得新进展
文章来源: 刘艳 发布时间: 2017-04-19

  最近,强磁场科学中心田明亮研究员课题组在强关联电子材料Sr4Ru3O10的磁结构研究方面取得了新进展,相关工作以Evidence of in-plane ferromagnetic order probed by planar Hall effect in the geometry-confined ruthenate Sr4Ru3O10为题在美国物理评论B(Physical Review B) 上作为快讯(Rapid Communications)发表。 

  在关联电子体系中, 含有4d电子态的钙钛矿钌氧化物Srn+1RunO3n+1(n=1, 2, 3,∞)存在多种自由度,包括电荷、自旋、晶格和轨道间的复杂相互作用,蕴含着丰富的物理现象,如p波超导电性、非朗道费米液体行为、磁场诱导的变磁量子临界以及自旋密度波等,成为量子态调控研究的模型材料。Sr4Ru3O10是Srn+1RunO3n+1体系中具有代表性的材料之一,该材料在温度低于居里温度TC=105K时表现出奇异的磁各向异性,即c-方向为铁磁性,而在ab-平面内表现出顺磁性, 且在TM<50K时在磁场作用下出现所谓的变磁性(metamagnetic transition)。该材料所具备的这种奇异磁性质被研究了近20年,但是其面内磁结构仍不清楚。 

  田明亮课题组在前期工作的基础上(New. J. Phys. 18,053019 (2016)),采用机械剥离单晶的办法,结合中心的电子束曝光微纳加工系统制备了一系列具有不同纳米尺度厚度的高质量Sr4Ru3O10单晶薄膜,首次采用面霍尔效应(即面横向磁阻)的测量方法,对其ab面内的磁结构进行了系统的研究。实验发现: 面霍尔电阻在面内磁场下出现类“自旋阀”的不连续跳跃,且与面内磁场和电流的夹角有关,但纵向磁阻没有表现出类似的不连续跳跃现象。这一结果充分表明: 纳米尺度厚度的Sr4Ru3O10面内存在沿<110>方向排列的具有单磁畴性的铁磁序,这与体材料的ab-面顺磁的结果完全不同。进一步的研究表明,随着温度的降低,面铁磁序会从单畴态逐渐演化为多畴态。这些新奇结果表明:厚度是调控关联电子材料多量子态的有效参量, 其丰富的奇异现象均与其自旋的再取向有关, 对理解Sr4Ru3O10中的奇异磁特性提供了新的思路。 

  本工作所用单晶由Colorado大学的曹钢教授提供,由强磁场中心刘艳博士研究生在杨继勇副研究员的具体指导下完成。项目实施过程中得到了国家自然科学基金委、国际创新团队以及合肥大科学中心等的支持。 

  文章链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.161103

    

    (a)样品扫描电镜SEM图;(b) Sr4Ru3O10晶体结构;(c)不同温度下的面霍尔效应 (样品厚度:34 nm)。 

   
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