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合肥研究院在一个单胞膜厚差的磁结构分辨及霍尔异常机制研究上取得新进展
文章来源: 冯启元 发布时间: 2020-05-14

  近期,中科院合肥研究院强磁场中心陆轻铀研究员、冯启元博士与韩国国立首尔大学Tae Won Noh教授、王凌飞等人合作,利用自制的高灵敏磁力显微镜系统,微观上精确鉴别出SrRuO3(SRO)超薄膜中厚度差仅为1单胞(unit cell,简称u.c.)的两种不同厚度(4u.c.和5u.c.)的微观磁结构之不同,从而验证了该体系中反常霍尔效应起源于双通道叠加,而非来自磁斯格明子。该结果,对比前期工作中BaTiO3/SrRuO3异质结中界面对称性破缺诱导产生磁斯格明子的情形,是一个很好的补充,也为基于SRO薄膜材料体系中霍尔异常的理解提供了微观机制证据。相关研究结果发表在Nano Letters上。

  SRO薄膜中霍尔测量结果异常(霍尔电阻测量中的正反峰)的原因一直饱受争议,原因是:其可能起源于磁斯格明子导致的拓扑霍尔效应(THE),也可能起源于不均匀反常霍尔效应(AHE)的叠加效果(见图1)。前期工作中,陆轻铀研究员、冯启元博士与韩国国立首尔大学Tae Won Noh教授、王凌飞等人合作,利用自制磁力显微镜系统(MFM),直接观测到BaTiO3/SrRuO3异质结中的磁斯格明子,证实了基于SRO的BaTiO3/SrRuO3异质结体系中霍尔测量异常的THE成因。然而对于单层SRO薄膜,其霍尔异常的原因尚不确定。

  为此,合作团队通过生长出高质量的SRO薄膜,控制厚度这一单一变量,结合宏观输运测量以及MFM成像,发现厚度调制对SRO的AHE及其磁结构起决定性作用,提出了AHE的双通道叠加模型,即样品厚度的不均匀导致了AHE的不均匀,而不同AHE的叠加又造成了SRO薄膜的霍尔测量异常。

  根据该双通道叠加模型,通过微观磁成像研究手段,理论上应在厚度调制的SRO薄膜中观测到与样品台阶形貌密切相关的长条形磁结构,且不同厚度具有不同的矫顽场与饱和磁化强度,应观测到不同厚度对应的磁结构在不同磁场下的先后翻转。然而,这在实验上是困难的,不仅要实现对厚度仅为几个单胞的磁性极弱超薄膜中的磁结构进行成像,更要在一个台阶宽度内精准分辨出4u.c.与5u.c.(厚度差小至1u.c.)磁结构之不同,且要随着磁场的演变,最终分辨出他们在不同矫顽场下各自的翻转过程。然凭借自制MFM的超高灵敏度优势,终实现了这些磁结构变化的微观成像,实验结果见图2。如图2e所示,2T下,同一个台阶内的4u.c.与5u.c.都处于饱和状态,但展现出不同的对比度,从而在磁学上分辨出了二者的不同。随着磁场的反向并增强,成功在-0.8T与-1.2T下分别观测到4 u.c.与5 u.c.的先后翻转过程。

  该研究不仅在微观上证实了双通道AHE叠加机理的正确性,也为如何精确调控氧化物薄膜的反常霍尔效应提供了实验依据。

 

  图1:SRO中霍尔测量异常的两种可能:THE成因(图片上排)和不均匀AHE叠加(图片下排)

 

  图2:MFM测量结果。(a) 4.5 u.c. SRO薄膜M-H曲线。(b) 4.5 u.c. SRO薄膜样品示意图,一个台阶宽度上实际包括4 u.c.与5 u.c.两种不同厚度(c)AFM形貌图。(d-p)MFM测量结果。图e所示,2 T饱和磁场下,4 u.c.与5 u.c.两种不同厚度表现不同的对比度。

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