关联体系中电荷有序的原位同步辐射表征

针对关联电子体系（高温超导、多铁性、巨磁电阻等）研究中的共性科学问题：电荷有序，及其与轨道、自旋、晶格的相互作用和外场的调控规律，在上海光源、合肥光源的相关实验站配置低温、电场、磁场条件，发展硬X射线反常散射、软X射线圆二色/线二色吸收、超高分辨低能角分辨光电子能谱、偏振远红外反射光谱原位表征电荷有序的方法和技术。研究高温超导Sr2CuO3+δ中顶角O空位的有序、顶角O向CuO2面的电荷转移，多铁性BiFeO3中电荷有序、轨道有序、自旋有序和晶格有序间的耦合，巨磁电阻掺杂RMnO3中电荷有序、自旋有序和晶格的相互作用，掌握各种序参量及其相互作用和体系宏观电磁特性（超导、磁电耦合、磁电阻）之间的关系和调控规律，揭示关联体系宏观奇异量子现象形成的微观机理。通过上述典型的关联电子体系电荷有序的研究，进一步推动同步辐射在关联体系研究中的应用，并做出一些有国际影响力的工作。

关联电子体系电荷-自旋-轨道-晶格自由度间强相互作用往往导致各种有序。本项目针对关联电子体系（高温超导、多铁体、巨磁阻材料等）的共性科学问题：电荷有序及其与轨道、自旋、晶格的相互作用和外场的调控规律，重点开展了两方面研究工作：一、集成和联动外场条件（电场、低温、磁场等），发展电荷有序的同步辐射原位表征技术和方法。二、利用电荷有序的表征技术和方法，研究几种典型材料体系高温超导铜酸盐、多铁性铁酸盐和巨磁阻锰酸盐中的电荷有序在宏观奇异量子现象中的作用机制。本项目在这两方面均取得了一系列研究成果。首先，发展反常散射技术直接表征电荷有序，并在上海光源衍射站实现了10 eV范围内稳定的能量扫描，能够满足反常散射实验。其次，发展了变温软X射线吸收谱技术表征电荷有序。最后，本项目利用变温软X射线吸收谱技术发现了超导体Sr2CuO3+δ铜氧面内Cu-O键长的缩短是由于氧缺失导致Cu、O外层电子云重叠减少所造成的，而铜氧面外Cu-O键长的拉长是由Sr原子位移以及J-T畸变造成的；利用变温反常散射技术表征了Sr2CuO3+δ内超晶格结构的变化，在120 K和60 K时，发现了Pmmm和C2/m两种新的超晶格结构相。其中，Pmmm相只在入射光子能量接近Cu的 K吸收边时出现，表明该超晶格相是Cu的电荷有序造成的。由于其恰好在95 K完全形成，并且一直维持到低温，所以，与Sr2CuO3+δ的超导电性相密切相关。不仅如此，利用反常散射技术，本项目还研究了电子铁电体Fe2BO4的相变行为。通过半指数峰(5/2 1 1)的出现和消失发现了：在温度220 K时，电荷有序可被外电场破坏，从而引起金属-绝缘体相变；而温度降至120 K，电场则不能破坏电荷有序。我们还研究了锰酸盐与多铁性材料形成的异质结结构：La0.7Sr0.3MnO3/La0.5Ca0.5MnO3/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3、BiFeO3/La5/8Ca3/8MnO3等的界面自旋有序、晶格有序间的耦合规律及其调控规律。这些研究成果一方面提升了国内关联电子体系的研究水平，并且为未来相关体系研究提供了重要平台；另一方面，本项目实现了关联电子体系研究和同步辐射大科学装置相结合，有效推动同步辐射技术的发展以及在关联电子体系研究中的应用。