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■  發(fā)現(xiàn)金屬緣轉(zhuǎn)變的中間態(tài)

低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力顯微鏡attoAFM/磁力顯微鏡attoMFM

    通常，階金屬-緣體轉(zhuǎn)變表明金屬態(tài)與緣相可以在超快的時(shí)間尺度內(nèi)共存,。來自上海復(fù)旦大學(xué)的沈健教授以及殷立峰課題組發(fā)現(xiàn)了La_0.325Pr_0.3Ca_0.375MnO₃材料在光誘導(dǎo)下的階金屬-緣相變中可以存在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的第三種中間態(tài),。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，鐵磁金屬態(tài)與電荷有序緣態(tài)兩種不同態(tài)之間存在定的聯(lián)系,。

上圖: 左上角器件示意圖，光纖引入激光照射到樣品表面,； 不同光強(qiáng)度下,，MFM磁力顯微鏡數(shù)據(jù)表明樣品中存在三種不同相態(tài)的存在，三種相態(tài)分別是鐵磁金屬態(tài),，電荷有序緣態(tài)以及中間態(tài)

    德國(guó)attocube公司的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力顯微鏡attoAFM使用雙通道模式可以同時(shí)測(cè)量樣品的表面形貌以及樣品的磁疇分布,，空間分辨率可以達(dá)到納米尺度。結(jié)合磁力顯微鏡成像與磁光克爾（MOKE）測(cè)量,，課題組作者鑒定了中間態(tài)是鐵磁金屬態(tài)與電荷有序緣態(tài)的共存狀態(tài),。該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在階金屬緣中開創(chuàng)了兩個(gè)*不同的相變的共存。下步,，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以被參考用于研究其他凝聚態(tài)材料中的階金屬緣相變,。

上圖：圖左MFM磁力顯微鏡數(shù)據(jù)：1是鐵磁金屬態(tài)，2是中間態(tài),，3是電荷有序緣態(tài),。圖右：三種不同態(tài)在不同光照強(qiáng)度下的強(qiáng)度變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] LiFeng YIN, et al. Unexpected Intermediate State Photoinduced in the Metal-Insulator Transition of Submicrometer Phase-Separated Manganites, Physical Review Letters, 120, 267202 (2018).

■  低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力原子力成像-強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物中邊界態(tài)

低溫強(qiáng)磁力顯微鏡attoMFM

    邊界態(tài)研究不僅有助于基礎(chǔ)物理知識(shí)理解,，而且對(duì)實(shí)際電子器件產(chǎn)品的開發(fā)也有巨大潛在幫助,。近，二維電子氣中（拓?fù)渚夡w與石墨烯等）中由于破缺對(duì)稱性引入邊界態(tài)的研究引起廣泛關(guān)注，然而,，強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物中可能存在的邊界態(tài)直缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。

    上海復(fù)旦大學(xué)的杜凱博士等人用德國(guó)attocube公司的低溫強(qiáng)磁力顯微鏡attoMFM實(shí)驗(yàn)測(cè)量了強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物（LPCMO)中存在的邊界態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中,，杜博士等人研究了不同溫度與磁場(chǎng)下強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物材料的表面形貌與磁力性能成像,。attoMFM系統(tǒng)在測(cè)量樣品的磁力成像之外還原位測(cè)量了電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)合磁力性能成像,、電學(xué)輸運(yùn)結(jié)果與理論計(jì)算分析，該氧化物材料當(dāng)其自身越來越窄時(shí),，由于對(duì)稱性破缺導(dǎo)致的鐵磁金屬性邊緣態(tài)的存在,，可以得到更高的金屬緣轉(zhuǎn)變溫度與更低的電阻率。

    該結(jié)果*實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物中破缺對(duì)稱性引入的邊界態(tài),，作者預(yù)見,，強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物體系中可能存在更多新奇的邊界物理狀態(tài)。隨著attoMFM在更多材料中應(yīng)用,，更多的物理現(xiàn)象與機(jī)制將被不斷發(fā)現(xiàn)與證實(shí),。

上圖：低溫磁場(chǎng) (9T)下樣品AFM與MFM圖

參考文獻(xiàn)：Kai Du et al. Visualization of a ferromagnetic metallic edge state in manganite strips. Nature Communications 2015, 6:6179

■  低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力原子力顯微鏡—超巨磁阻材料磁疇研究

低溫強(qiáng)磁力顯微鏡attoMFM

    很多基于亞錳酸鹽的混合物具有超巨磁阻效應(yīng)。磁疇壁電阻會(huì)影響磁致電阻,，然而對(duì)于溫度與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于鐵電材料中的磁致電阻效應(yīng)的影響還需進(jìn)步的理解,。為了研究層狀亞錳酸鹽中的磁致電阻效應(yīng)，是很有必要研究零磁場(chǎng)下不同溫度下或者磁場(chǎng)引入的鐵電態(tài)的鐵電磁疇成像,。

    Benjamen B. 等人用德國(guó)attocube公司的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力顯微鏡attoMFM實(shí)驗(yàn)測(cè)量了鐵電性超巨磁阻雙層層狀材料亞錳酸鹽La1.2Sr1.8Mn2O7中的磁學(xué)性質(zhì),。在零磁場(chǎng)下，不同溫度下的磁力成像數(shù)據(jù)表明,，在低于定溫度時(shí)候（通常是距離溫度,，該材料距離溫度在118K左右），磁疇壁可以被明確觀測(cè)到,。在定溫度下,，不同磁場(chǎng)下的磁力原子力顯微成像數(shù)據(jù)表明，在接近但低于材料居里溫度時(shí),，磁場(chǎng)對(duì)于磁疇壁的影響可以被明確觀測(cè)到,。隨著磁場(chǎng)增大，由于混亂態(tài)被抑制,，磁疇壁出現(xiàn),，當(dāng)磁場(chǎng)接著變大，材料整體被磁化,，因此磁疇壁會(huì)再次消失,。

    通過以上低溫磁場(chǎng)下磁力原子力顯微鏡的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)際觀察到了層狀巨磁阻材料二層層狀材料中的磁疇壁，溫度與磁場(chǎng)對(duì)巨磁阻材料的影響被仔細(xì)研究。作者預(yù)見,，該低溫原子力磁力成像技術(shù)對(duì)磁學(xué)相位與成核過程等理解超巨磁阻效應(yīng)關(guān)鍵步驟的研究具有很大幫助,。

 參考文獻(xiàn)：Bryant, B.;et al. Temperature and field dependence of magnetic domains in La1.2Sr1.8Mn2O7. Physical Review B 2015, 91, 134408.

■  低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡—納米尺寸分子磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)

低溫強(qiáng)磁力顯微鏡attoMFM

    對(duì)于電子自旋結(jié)構(gòu)的成像與操縱直以來是磁學(xué)域的挑戰(zhàn)，與之相關(guān)的電子自旋現(xiàn)象有斯格明子,、刺猬狀自旋結(jié)構(gòu),、磁通漩渦等。磁通漩渦電子自旋結(jié)構(gòu)是研究多位磁學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)的個(gè)重要現(xiàn)象,。關(guān)于磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)的工作都是對(duì)微米尺度開展的,，納米尺度的磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)工作需要進(jìn)步的研究。

    Elena P. 等人用德國(guó)attocube公司的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力顯微鏡attoMFM在實(shí)驗(yàn)中清晰的觀測(cè)到了25nm尺寸單個(gè)分子中磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,。有趣的是,，只需通過施加很小的外加磁場(chǎng)（600 Ｏｅ左右），單分子中的磁通漩渦就可實(shí)現(xiàn)中心性反轉(zhuǎn),。在４.２Ｋ的低溫環(huán)境中,，通過施加連續(xù)變化的外加磁場(chǎng)與attoMFM成像的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析表明,，納米單分子磁通漩渦磁性隨著外加磁場(chǎng)可以發(fā)生清晰的中心性反轉(zhuǎn),。作者也實(shí)驗(yàn)研究了不同尺寸單個(gè)分子中的磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)機(jī)制。

    作者預(yù)見,，該次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中納米尺寸單分子的磁通漩渦中心性轉(zhuǎn)換的性可能為未來數(shù)據(jù)存儲(chǔ)開創(chuàng)了新的方法,，數(shù)據(jù)的讀寫可以通過很小的磁場(chǎng)來操縱。

上圖　實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到納米分子中磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)

 參考文獻(xiàn)：“Switching the Magnetic Vortex Core in a Single Nanoparticle”Elena P. et al, ACS Nano 2016, 10, 1764−1770

■  氧化物材料中尺寸限制對(duì)于電子相分離現(xiàn)象

低溫強(qiáng)磁力顯微鏡attoMFM

    電子相分離（Electronic phase separation, EPS）對(duì)復(fù)雜氧化物（例如錳氧化物）的電學(xué)與磁學(xué)性質(zhì)具有很大的影響,。個(gè)很重要但是還未被*理解的問題是材料尺寸對(duì)于復(fù)雜氧化物中電子相分離（Electronic phase separation, EPS）的影響是什么,。

    J. Shao等人用attoMFM分析了不同尺寸（五百納米到7微米）LPCMO氧化物圓盤在不同溫度下的磁學(xué)性質(zhì)。磁力成像結(jié)果（圖1）表明,，當(dāng)圓盤尺寸較大的時(shí)候,，電子相分離是鐵電金屬相與有序電荷緣相兩相共存狀態(tài)。令人驚奇的,，當(dāng)材料本身尺寸小于電子相分離征尺寸時(shí)候,，電子相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)單相狀態(tài)。

   作者預(yù)見：該研究結(jié)果對(duì)于電子相分離操縱有積意義,，對(duì)氧化物電子與自旋電子器件應(yīng)用會(huì)有潛在幫助,。

參考文獻(xiàn)：“Emerging single-phase state in small manganite nanodisks” J. Shao et al, PNAS 2016, 113(33), 9228

■  元素有序(無序)摻雜對(duì)氧化物電子相分離影響 

低溫強(qiáng)磁力顯微鏡attoMFM

    在大部分的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中，例如龐磁電阻材料與高溫超導(dǎo)材料中,，化學(xué)摻雜對(duì)于其異物理性能有巨大的影響,。而摻雜元素的有序無序?qū)τ谖锢硇再|(zhì)的影響是個(gè)由來已久的問題。

    Y. Zhu等人用attoMFM研究了有序摻雜Pr元素(MBE生長(zhǎng)制備)的LPCMO膜與普通無序摻雜Pr元素LPCMO樣品的磁學(xué)成像性質(zhì)（圖1）,。其中,，正相位信號(hào)代表鐵電相而負(fù)相位信號(hào)代表反鐵磁有序電荷相,。從磁學(xué)成像的結(jié)果可以直觀清晰的看到，鐵磁相在有序摻雜樣品中的區(qū)域尺寸（domain size）明顯小于無序摻雜樣品,。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有序摻雜Pr元素使得電子相分離尺寸明顯減小,。通過分析電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量數(shù)據(jù)與理論模擬計(jì)算分析，由于金屬鐵磁相更具有主導(dǎo)地位,，該有序摻雜的LPCMO材料比無序摻雜的材料的金屬緣體轉(zhuǎn)變問題高100度,。

    作者指出，由于Ca元素?fù)诫s在該LPCMO超晶格材料中依然是無序的,，化學(xué)摻雜是否*抑制LPCMO體系中金屬電子相是個(gè)值得繼續(xù)研究的課題,。

參考文獻(xiàn)：Chemical ordering suppresses large-scale electronic phase separation in doped manganites. Y. Zhu et al, Nature Communications 2016, 7:11260

■  電流對(duì)氧化物薄膜鐵磁金屬疇邊界影響

低溫強(qiáng)磁力顯微鏡attoMFM

    鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物的物理性質(zhì)受到外在激勵(lì)例如磁場(chǎng)、電場(chǎng),、應(yīng)變,、壓力、光照,，電流的影響。之前研究表明,，電流對(duì)于LPCMO體系樣品產(chǎn)生電阻大幅度下降與磁學(xué)微小變化的影響,，然而該LPCMO樣品中上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與龐電阻機(jī)制的直接證據(jù)需進(jìn)步探索。

    W. Wei等人用attoMFM顯微鏡研究了不同電流密度電流掃描對(duì)LPCMO樣品中鐵電金屬疇的影響,。研究再次證明,，電流確實(shí)對(duì)LPCMO體系樣品產(chǎn)生電阻大幅度下降與磁學(xué)微小變化的影響。另外,，MFM磁力原子力顯微鏡磁學(xué)性質(zhì)成像(圖1)數(shù)據(jù)表明經(jīng)過電流掃描后樣品的鐵電金屬疇形貌基本保持不變,，但是鐵電金屬疇的邊界（圖1中藍(lán)色橢圓區(qū)域內(nèi)）發(fā)生了明顯變化，該邊界的變化很可能是該材料中龐電致電阻機(jī)制的關(guān)鍵影響因素,。

    作者指出,，與之前學(xué)術(shù)界的猜想不同，電流不是影響樣品中鐵磁金屬相疇的整體形貌,，電流只是改變了磁疇的外部個(gè)非常小個(gè)區(qū)域的形貌（整體形貌幾乎不變）,。

參考文獻(xiàn)： Direct observation of current-induced conductive path in colossal-electroresistance manganite thin films. W. Wei et al, Physical Review B, 2016, 93, 035111

• 低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力/磁力/掃描霍爾顯微鏡

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