强磁场下掺Pr锰氧化物的反铁磁相动力学行为与调控的微观成像研究

Antiferromagnetic (AFM) materials have been widely used in the manufacture of high temperature superconductors, topological insulators, colossal magneto-resistance materials and other materials with particularly important physical properties. However, very few studies on AFM, most of them focused on the macro level, studies on the microscopic imaging even fewer. This is mainly because: (1) the net magnetic moment of the AFM domains is approximately equal to zero, which is difficult to be detected and controlled; (2) the process of the AFM phase from birth to extinction is driven by a strong magnetic field. But microscopic imaging studies are very important, after all, a lot of important physical properties are related to microscopic domain boundaries, shape, pinning, relaxation, dynamic behavior and control directly. In this project, we will study the dynamics behavior of the AFM phase by high resolution microscopic imaging which was controlled by temperature and magnetic field, and explore the impact of the film thickness, doping, relaxation, stress, current and other factors on the behavior of the AFM domains and sub-domains. We have developed a 20T-ALL-MFM with the magnetic field up to 20T and sub-mini hertz frequency resolution, which can fully competent in this project. There is no such device in the world now. We have used this device conducted a preliminary study on the Pr0.5Ca0.5MnO3/LSAT, and observed the complete process of the antiferromagnetic phase from melt to rebirth under high magnetic field within 0-17.6T, which shows the strong capability of the device. As an exploration, we will also try to upgrade the 20T-ALL-MFM to the 20T-PFE-MFM which increase the frequency resolution of the order of 3. The new 20T-PFE-MFM will be used to study the structure and behavior of the sub-domain of the AFM phase domain.

反铁磁（AFM）材料已被广泛用于制造高温超导、拓扑绝缘体、庞磁阻等具有特别重要物性的材料。但目前对AFM的研究很少且主要集中在宏观层面，微观成像研究很少。主要因为：1 AFM畴净磁矩接近0，难被作用、探测和调控；2 AFM相从产生到消亡过程需较强磁场。但微观成像研究很重要，毕竟很多重要物性和畴界、形态、钉扎、弛豫、动态行为与调控方式直接相关。本项目将对AFM相在温度、磁场调控下的动力学行为进行高分辨成像研究，并探索膜厚、掺杂、应力等因素对AFM相畴及其子畴行为的影响。我们研制的20T-ALL-MFM的磁场达20T，频率分辨达亚毫赫兹，完全胜任本项目，国际上尚无此类装置。我们用其对PCMO的初步研究就观测到0-17.6T内AFM相从融化到重生的完整过程，显示该装置的强大。作为探索，我们还将尝试将其升级为频率分辨率再提高3个量级的20T-PFE-MFM，用于研究相畴内的子畴结构及行为。

本项目主要研究内容是：利用我们自主研制的超高场磁力显微镜“20T-MFM”研究掺 Pr 锰氧化物薄膜中的反铁磁相（AFM） 从融化到消亡再到重新成核、生长全过程的动力学行为， 以及受强磁场与温度等微观局域调控的行为和机制。我们很好的完成了原定研究目标，具体如下：（1）我们在半参杂的锰氧化物 PCMO (LSAT)薄膜中观察到了电子多重序及其动力学行为，包括电子单晶的成核、生长、弛豫、融化等过程。这一结果不仅为人们深入理解电子相中多种自由度的耦合与竞争提供了实验基础，而且为人们从微观角度认识和操控电子相，尤其是多重电子相提供了机遇。 该工作发表在 ASC Applied Materials & Interfaces 上（2） 我们在 LCMO 和 LPCMO 薄膜中诱导产生了一种新型的结构畴壁，并利用20T-MFM 对其进行观测，研究了其对相分离的限制作用，发现畴壁形成了大量形态千差万别的闭环回路结构，在某些情况下，畴壁具有优选的晶格取向并且对温度或磁场几乎没有依赖性，显示了畴壁的结构起源；证实了该型畴壁在低温下处于铁磁金属态，确定了其居里温度高于体材TC；最重要的是，该型畴壁能充当不可移动的壁垒，严格限制了相分离的出现以及生长。这种畴壁的受控形成及其在相动力学中的作用，为获得奇异性质和实现基于人工结构的器件提供了一条新的途径。该工作发表在著名期刊 Advanced Materials 上。（3）利用20T-MFM，我们成功的在一维相分离的单晶纳米线（LPCMO）中观测到本征的隧道结，为该材料中出现的量子遂穿效应以及一种新型稳定的量子逾渗态提供了证据支持。该工作发表在 Nano Letters 上。（4）在上述研究需要对我们自主研制的 20T-MFM 进行不同的针对性的改进，因此我们还产生了一系列的与强磁场、低温相关的高分辨显微成像技术及装置，在 Ultramicroscopy、 Review of Scientific Instruments等杂志上发表扫描探针显微镜相关技术论文 3 篇。总体来说，在本项目的资助下，我们发表相关SCI 论文 8 篇，其中一区论文 6 篇， Nature Index 论文 3 篇。申请发明专利 5 项，授权发明专利 1 项。