【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】4d釕酸鹽（ARuO3）作為復(fù)雜氧化物體系中一個重要家族，表現(xiàn)出巡游鐵磁性、磁性Weyl費米子、磁單極、非常規(guī)超導(dǎo)、非費米液體等一系列豐富多彩的物理性質(zhì)。SrRuO3作為唯一天然具有鐵磁性和強(qiáng)自旋軌道耦合（SOC）的鈣鈦礦氧化物，成為該體系研究的明星材料。
SrRuO3高達(dá)160K的鐵磁居里溫度和良好的金屬導(dǎo)電性使它在自旋電子學(xué)器件研究中具有巨大潛力，而由鐵磁性和強(qiáng)SOC共存所導(dǎo)致的巨大反常霍爾效應(yīng)、拓?fù)浠魻栃?yīng)甚至量子反常霍爾效應(yīng)等新奇物性也備受人們關(guān)注。然而，在各種4d、5d過渡金屬氧化物中，SrRuO3的巡游鐵磁性似乎成為一個特例，給以此為基礎(chǔ)的新型自旋/軌道器件設(shè)計帶來局限性。
4d、5d氧化物雖然具有較強(qiáng)的SOC，但由于d軌道能帶的擴(kuò)展導(dǎo)致電子關(guān)聯(lián)性下降，通常難以形成長程磁序。人工設(shè)計出更多集強(qiáng)SOC和時間反演對稱性破缺（即鐵磁性）于一體的新材料體系，是目前自旋電子學(xué)研究中高度關(guān)注的問題。
CaRuO3的塊體材料具有與SrRuO3完全相同的GdFeO3型正交晶體結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型。但由于Ca離子半徑較小，使得CaRuO3的Ru-O-Ru鍵角僅為148°，遠(yuǎn)低于SrRuO3的 163°。因此CaRuO3體材料或薄膜材料在整個溫區(qū)中均表現(xiàn)為順磁金屬性。中國科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊近年來致力于氧化物異質(zhì)界面物性設(shè)計及調(diào)控方面的研究工作，希望利用異質(zhì)界面晶體場、應(yīng)力場、電荷重組、軌道重構(gòu)等效應(yīng)，誘導(dǎo)出完全不存在于體相材料的界面新物態(tài)。
近日，團(tuán)隊研究人員等成功利用結(jié)構(gòu)近鄰效應(yīng)在CaRuO3體系中誘導(dǎo)出了長程鐵磁序。他們利用脈沖激光沉積技術(shù)在襯底基片上交替生長抗磁SrTiO3 (a0a0a0)和順磁CaRuO3（a-a-c+）兩種對稱性失配薄膜，獲得了高質(zhì)量的外延超晶格樣品；利用界面氧八面體的耦合畸變，成功抑制了CaRuO3層中RuO6八面體的傾斜/旋轉(zhuǎn)。
掃描透射電鏡的結(jié)果表明，界面處約3個晶胞厚度的CaRuO3層的RuO6八面體的扭轉(zhuǎn)度被大幅度地調(diào)控，其Ru-O-Ru鍵角從~150°增加至~165°，與SrRuO3薄膜中的Ru-O-Ru鍵角較為接近。這種界面結(jié)構(gòu)耦合的調(diào)控必然會帶來電子結(jié)構(gòu)的改變。第一性原理計算表明，RuO6八面體的傾斜/旋轉(zhuǎn)的抑制將大幅提高CaRuO3費米面處的態(tài)密度【N(EF)】，最終使得界面3個晶胞層CaRuO3層將滿足巡游鐵磁性的Stoner判據(jù)【IN(EF)> 1，I為Stoner系數(shù)】，由塊體的順磁態(tài)進(jìn)入鐵磁有序態(tài)。
霍爾輸運測量以及宏觀磁測量給出了該體系出現(xiàn)界面鐵磁相的充分證據(jù)，其最高居里溫度約為120K，最大飽和磁化強(qiáng)度為~0.7μB/f.u.。各向異性磁電阻測量進(jìn)一步表面CaRuO3界面鐵磁相的磁易軸在面內(nèi)
方向。該工作報道了一種完全基于界面氧八面體耦合畸變設(shè)計產(chǎn)生界面鐵磁性的示例，特別是構(gòu)成異質(zhì)界面的兩種氧化物各自均不具備長程磁序，其部分原理也將適用于其他具有類似對稱失配的氧化物體系，為探索多功能氧化物材料和器件提供了新思路。
相關(guān)成果以Symmetry-mismatch-induced ferromagnetism in the interfacial layers of CaRuO3/SrTiO3 superlattic為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》 (Advanced Functional Materials)上。相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和中科院重點項目的支持。
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