YBa2Cu3O7-x/BiFeO3异质结中多铁畴阵列对磁通动力学行为的影响

High-temperature superconductor (HTS)/multiferroic junction often shows a series of rich and novel physical phenomena due to the co-existence and competition between different types of order states (such as superconductivity, ferromagnetism, ferroelectricity etc). The investigation on hetero-structures involving HTS can realize the practical application of spintronic devices based on high temperature superconductors, and also can help us intensively understand the physical mechanism in HTS. This project aims to prepare the junction of YBa2Cu3O7-x/BiFeO3(YBCO/BFO) and build a dot multiferroic (ferroelectric, magnetic, ferroelastic) domain arrays in the BFO layer using extreme conditional atomic force microscopy (AFM). Then measure the angle dependent electrical transport properties (such as resistance broadening curves and I-V curves) to obtain the information of superconductivity, critical current density, pinning potential, vortex phase transition. We also investigate the microstructure of the junction through the atomic force microscope, piezoelectric force microscope and magnetic force microscope to study the effect of the ferroelectric domain array on the vortex dynamics and to achieve the nanometer scale reversible regulation of the above quantum phenomena. The project is very important for the study of the pinning mechanism in high temperature superconducting films and explore effective way to increase artificial pinning centers, also is an important application in the field of parameter regulation.

高温超导/多铁异质结界面处存在多个有序态的共存与竞争，表现出一系列丰富而又新奇的物理现象。研究该类异质结不仅可以实现基于高温超导的自旋电子器件的实际应用，还有助于人们深入理解高温超导这一强关联体系中蕴含的丰富物理内涵。本项目拟制备YBa2Cu3O7-x/BiFeO3（YBCO/BFO）异质结，利用极端条件（4K，9T）原子力显微镜（AFM）在BFO层构建点状多重铁性（铁电、磁、铁弹等）畴阵列，通过角度依赖的电学性质的测量（如电阻展宽曲线、I-V曲线），以获得YBCO超导电性、临界电流密度、磁通相变等信息，结合低温强磁场下的AFM、压电力显微镜、磁力显微镜等微观探测技术，探究畴阵列对YBCO磁通动力学行为的影响规律，期待实现对以上量子现象的纳米尺度可逆调控。本项目对研究高温超导薄膜的磁通钉扎机制和探索各种增加人工磁通钉扎中心的有效途径有重要的基础物理意义，同时也是多参量调控领域的重要应用。

现代信息技术的迅猛发展对器件的小型化、集成化等的要求也越来越高。强关联电子体系的电荷-自旋-轨道-晶格之间多自由度耦合，以及对其孕育的宏观量子现象进行调控是突破信息技术物理极限的希望。本项目计划对多铁性材料、超导材料的异质结构及其块体材料中电学输运性质、磁学性质进行量子调控研究，经过项目团队三年的努力，结合所在课题组特色，取得了一系列研究成果。研究主要内容和结果包括：（1）优化生长了一系列氧化物外延薄膜，包括BiFeO3, PZT, YBCO等外延薄膜，研究了异质结外延薄膜最优化生长条件，探究了其电学性质及磁性性质。（2）研究了Mn离子掺杂对多铁性材料CuCrO2的晶体结构、电子结构的影响，发现离子掺杂使得体系同时出现了磁化翻转行为与交换偏置效应，暗示此类材料在磁性存储器方面具有潜在的应用价值。（3）研究了双钙钛矿结构的多铁性材料La2CoMnO6中磁学性质，发现La1.5Sr0.5Co0.4Fe0.6MnO6体系中同时存在磁化翻转及其零场冷交换偏置，比La1.5Sr0.5CoMnO6体系出现的温区提高近200K。（4）研究了非磁性稀土离子Y和非磁性Ga离子共掺杂SmCrO3的结构和磁性行为的影响，将自旋重取向转变温度提高到液氮温度附近，讨论了掺杂浓度改变对温度诱导的磁翻转的影响和磁性离子自旋排列随温度变化情况。（5）研究了过渡金属Mn离子掺杂对多铁材料LuCrO3的晶体结构、电子结构和铁电性、磁性行为的影响，结果表明掺杂破坏其铁电性，但可实现了温度诱导的场冷磁化翻转演变，给出相关诱导机制。（6）研究了Pb和Sm离子对新型超导材料Bi4O4S3磁通动力学行为的调控作用，研究发现Pb和Sm离子的引入使得Bi4O4S3的临界电流密度略有降低，其磁通行为满足塑性蠕动的模型。该项目对多种多铁性材料、超导材料的薄膜生长、多铁性及磁通动力学行为进行了优化及调控，有助于人们对强关联电子体系物理本质的理解，同时也可以为多参量调控技术提供实验基础。