PNAS：在錳氧化物納米圓盤中實現單相態

由于自旋、電荷、軌道和晶格之間的強耦合，不同的電子相往往在強關聯材料中共存，這被稱為電子相分離（EPS）。EPS對材料整體的磁性及輸運性質起著至關重要的作用，但對在EPS的臨界尺寸之下的材料性質表征卻少有研究和報道。

最近復旦大學的殷立峰教授（通訊作者）和沈健教授（通訊作者），以及路易斯安那州立大學的E. W. Plummerd教授（通訊作者）用錳氧化物LPCMO制備了不同尺寸的納米單晶圓盤。通過對該系列樣品的研究，他們回答了EPS如何受空間限制的影響，是否會隨著樣品尺寸而成比例變化， 是否存在單相釘扎等問題。EPS在這種材料中指鐵磁金屬相（FMM）與電荷有序絕緣體相（COI）的共存。研究者們在EPS臨界尺寸之下的圓盤上觀察到了單一的鐵磁相，并通過不同磁場和溫度下的材料行為探究EPS形成方式。 這項工作不僅對EPS的成因的研究有著重要的借鑒意義，也使今后納米級別的電子元器件應用有著更多依據和可能性。

【圖文注釋】

圖1：磁化強度的溫度及磁場依賴關系

左邊（A-D）為磁化強度M的溫度依賴關系，紅色線標示升溫過程，黑色標示降溫；
右邊（E-H）為磁化強度M的磁場依賴關系，黑色為磁滯回線，紅色為初始磁化曲線。

兩組圖分別對應四種圓盤直徑，分別是7微米（A, E）、1微米（B, F）、800納米（C, G）、500納米（D, H）

從左側磁化強度的溫度依賴關系中可以看出，EPS存在的標志——升溫曲線（紅）與降溫曲線（黑）的不重合區段在800納米時顯著減小，在500納米時幾近消失。

從右側磁化強度的磁場依賴關系中可以看出，紅色的初始磁化曲線隨著圓盤尺寸減小而逐漸與磁滯回線重合。這是因為，如果存在EPS，即鐵磁金屬相（FMM）與電荷有序絕緣體相（COI）的共存，那么隨著磁場增大，COI相會逐漸消解，轉化為鐵磁相，該轉化不可逆，紅線和黑線的不重合度會很大。若不存在EPS，只有FMM相，那么就不存在這種轉化行為，紅線和黑線幾乎重合（如圖1 D）。

從兩種依賴關系中都可看出EPS隨著錳氧化物納米圓盤直徑的減小而減弱，直至最終消失。

圖2：納米圓盤的形貌及磁結構表征

A 原子力顯微鏡（MFM）表征形貌；B-D 磁力顯微鏡（MFM）不同溫度下的磁結構表征；其中D圖表示居里溫度以上時鐵磁序消失。

不同尺寸納米圓盤的AFM表征和MFM表征，可以更直觀地看出FMM和COI兩相的共存狀態，及其溫度及尺寸依賴關系。

圖3：磁結構隨磁場的變化及微磁學模擬

為研究EPS隨尺寸減小的消失是否由大磁場引起，將圓盤置于不同大小磁場中進行磁結構表征，發現零場下圓盤的磁化方向在面內，而磁場增大會使磁化方向朝垂直方向偏轉。不存在磁場使EPS消失的行為。

注：這里及圖2的磁場最大只到1 T，并未達到圖1中使COI相發生顯著轉變的水平。

A,B MFM進行磁結構表征；C,D,E微磁學模擬結果

材料牛小結：研究者的工作使EPS的形成過程直觀呈現。材料所經歷的隨著尺寸減小，EPS從有到無的過程，為今后的錳氧化物磁性及輸運機制的研究提供了很有價值的研究范例，也對今后相關的器件研究具有啟發意義。

文獻鏈接：Emerging single-phase state in small manganite nanodisks (PNAS, 2016, DOI: 10.1073/pnas.1609656113)

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