强自旋-轨道耦合对LPCMO体系的磁性以及电子相分离的调控

Electronic phase separation phenomena (EPS) is one of the most important properties for modern spintronic devices. Recently research on 5d transition-metal oxides with pronounced spin–orbit coupling (SOC) is flourishing due to the emergence of potential application in spintronics. In this work, we choose (La1-yPry)1-xCaxMnO3 (LPCMO) as the prototypical system, for its large length-scale of EPS, to investigate the SOC effect on magnetic properties and EPS. Here we use superlattice growth technique to manipulate magnetic anisotropy of LPCMO by digitally inserting SIO. The impact on magnetic easy-axis reorientation of SIO is demonstrated by the in plane and out of plane transport and magnetic measurement. The spin direction of LPCMO layer and SIO layer is detected by neutron scattering experiments, and the FM/CO-AFM domain information is measured by magnetic force microscopic during the metal-insulator transition. Besides, we make a series of (LPCMO)m/(SIO)n superlattices with various m and n, to study the SOC effect on FM/AFM phase competition. For large m and n, it is still a LPCMO system which is modulated by SOC effect. When LPCMO and SIO are very thin (e.g. m=n=1), the (LPCMO)1/(SIO)1 superlattice will become a new phase 3d/5d combined system, and the physical phenomenon will be very interesting.

本项目以典型的大尺度电子相分离材料(La1-yPry)1-xCaxMnO3（LPCMO）作为模型体系，研究强自旋轨道耦合效应（SOC）对LPCMO磁性及电子相分离的调控。利用超晶格生长技术制备LPCMO/SrIrO3超晶格，在垂直和平行磁场下分别测量电输运和磁性性质，确定SOC对磁各向异性的影响。通过中子散射测量样品内部LPCMO层和SIO层的自旋方向，结合变温-大磁场磁力显微镜测量相变过程中薄膜表面的FM和CO-AFM的演化过程，从实验上给出SOC对电子相分离的调控机制，最终实现人工调控电子相分离。在样品总厚度不变的基础上，制备一系列(LPCMO)m/(SIO)n超晶格样品，改变m、n研究不同SOC强度对LPCMO中相竞争的影响。当LPCMO和SIO都很薄时（如1:1），体系不再是一个简单受调制的LPCMO体系，而是变成一个全新的3d/5d综合体系，其物理性质非常值得研究。

锰氧化物超薄膜中，最开始的几层往往没有磁性，也就是所谓的磁性“死层”。这种磁性“死层”严重阻碍了二维磁性薄膜的进一步研究。在本项目中，我们利用强自旋-轨道耦合效应（SOC）来增强体系的磁晶各项异性和居里温度，从而有效的将LSMO薄膜的磁性“死层”降低到一层。在此基础上，通过超晶格基元厚度的精细调控，实现对复杂氧化物体系的“有效”维度和相分离畴尺度的人工调制。通过研究超晶格的铁磁性、金属性以及电子相分离随周期的非单调变化规律，发现这个非单调变化的行为主要是由“有效”维度（D*）引起。更有趣的是，临界周期n*=6处的超晶格样品的电输运、磁性性质以及电子相分离尺度都与LPCMO合金体系非常相似。在LPCMO合金中，大尺度的电子相分离畴的形成需要Pr团簇的集聚程度达到一个理想的体积，而在n*=6超晶格体系中，Pr团簇的聚集程度刚好也达到了这个理想的体积，使其跟LPCMO的电荷有序畴大小一致。最后，我们自主设计并搭建大样品生长系统，实现大尺度超晶格薄膜制备，可实现2英寸大面积氧化物薄膜的均匀生长，为后续全氧化物器件的制备提供了坚实的基础支撑。