近日，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸亞林領(lǐng)導(dǎo)的量子功能材料和先進(jìn)光子技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在量子功能材料研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)副研究員翟曉芳、副教授傅正平等人，與美國(guó)勞倫茲伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士Jinghua Guo、中國(guó)科大教授趙瑾、湖南大學(xué)教授馬超等合作，在研究新型高溫、高對(duì)稱(chēng)性鐵磁絕緣體過(guò)程中，把高品質(zhì)氧化物薄膜製備與同步輻射先進(jìn)光電學(xué)探測(cè)、第一性原理計(jì)算等相結(jié)合，成功發(fā)現(xiàn)了高於液氮溫度（77K）的高對(duì)稱(chēng)性鐵磁絕緣體，並解釋了產(chǎn)生高溫鐵磁轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的新機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。
通常磁性材料可分為鐵磁性和反鐵磁性，而在真實(shí)的材料中，鐵磁材料通常是導(dǎo)電的，反鐵磁材料通常是絕緣的。隨著量子科技的發(fā)展，對(duì)量子功能材料的性能逐漸有了更多的需求，例如在量子拓?fù)淦骷行枰^緣的鐵磁材料（鐵磁絕緣體），同時(shí)需要該鐵磁絕緣體要具有高晶格對(duì)稱(chēng)性，以利於與其他材料外延生長(zhǎng)成未來(lái)量子器件；需要具有盡可能高的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度，以利於更接近于器件的現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境等。
以往研究中發(fā)現(xiàn)的鐵磁絕緣體大多是通過(guò)兩個(gè)磁性原子佔(zhàn)據(jù)位元的不同以促使其軌道佔(zhàn)據(jù)不同，這種鐵磁絕緣體中最著名的是Y3Fe5O12（YIG）。但是該類(lèi)型的鐵磁絕緣體具有複雜的、低對(duì)稱(chēng)性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，同一種原子能夠容易地佔(zhàn)據(jù)不同晶格格點(diǎn)，使得高品質(zhì)鐵磁絕緣體的製備非常困難，並且嚴(yán)重影響到其鐵磁絕緣體的性能。更為嚴(yán)重的是，這些複雜結(jié)構(gòu)的鐵磁絕緣體在被應(yīng)用到磁性量子器件或隧穿器件中時(shí)，很難與其他高對(duì)稱(chēng)性的材料進(jìn)行外延生長(zhǎng)，造成未來(lái)器件製備與集成的困難。同時(shí)，目前已知的、具有高對(duì)稱(chēng)性非摻雜鐵磁絕緣體的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度都非常低，大部分都位於16K之下，遠(yuǎn)未達(dá)到最低要求的液氮溫度。這樣表現(xiàn)出來(lái)的低溫鐵磁絕緣性可能是由於4f軌道太窄，以及氧之間超交換作用太弱所致。通常量子功能材料的罕見(jiàn)性都是受制於基本客觀(guān)物理規(guī)律，因此要取得突破就必須從深層物理機(jī)制著手，設(shè)計(jì)和研製能夠產(chǎn)生新型性能的新量子材料，這對(duì)物理機(jī)制研究和材料製備都提出了極高的要求。
為了獲得能在高溫下工作的、具有易外延生長(zhǎng)能力的、高對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)的鐵磁絕緣體，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了充分的材料篩選，認(rèn)為L(zhǎng)aCoO3薄膜是可能成為一個(gè)高對(duì)稱(chēng)性鐵磁絕緣體的研究物件。但關(guān)於LaCoO3薄膜鐵磁性的來(lái)源前期卻充滿(mǎn)了爭(zhēng)議，由於對(duì)製備要求很高，薄膜中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大量缺陷，因而前期很多人認(rèn)為是這些缺陷導(dǎo)致了鐵磁性，導(dǎo)致了性能的不穩(wěn)定及不可控。在該研究中，團(tuán)隊(duì)基於高品質(zhì)單晶薄膜製備優(yōu)勢(shì)，研製了高品質(zhì)、近似無(wú)缺陷的LaCoO3薄膜並深入研究了其鐵磁性的來(lái)源，發(fā)現(xiàn)LaCoO3薄膜確實(shí)是一個(gè)罕見(jiàn)的高溫鐵磁絕緣體，其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度可以高達(dá)85K，是以往研究過(guò)材料的5倍，並高於液氮溫度。通過(guò)製備不同氧含量、不同應(yīng)力、不同厚度的LaCoO3薄膜，發(fā)現(xiàn)了氧缺陷的濃度增加會(huì)引起鐵磁性的削弱，且在氧缺陷導(dǎo)致的Co2+含量達(dá)到10%左右時(shí)，鐵磁性會(huì)完全消失；通過(guò)第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了與實(shí)驗(yàn)基本一致的結(jié)論，當(dāng)氧缺陷被引入到拉應(yīng)力下的LaCoO3薄膜中時(shí)，產(chǎn)生的Co2+高自旋態(tài)（t2g3eg2）與鄰近的Co3+高自旋態(tài)或Co2+高自旋態(tài)形成局域的反鐵磁相互作用，削弱了鐵磁性。並且當(dāng)Co2+的濃度達(dá)到12.5%時(shí)，反鐵磁相互作用取代了鐵磁相互作用並成為新的長(zhǎng)程式，鐵磁性因而完全消失。該研究充分解釋並證明了LaCoO3薄膜鐵磁絕緣機(jī)制，為未來(lái)研製高品質(zhì)磁性量子器件等應(yīng)用需求提供了一個(gè)亟需的新材料。
中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心博士研究生孟德超、郭宏禮為共同第一作者，翟曉芳、陸亞林為通訊作者。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。
