人工超晶格中的小磁针

来源：中科院之声

自然界中存在的材料非常丰富，人类在日常生活中充分享受了各种各样大自然的馈赠，比如钻石、玛瑙、石油、煤矿、金属等等。世界上还有另一类材料，它们靠人工合成实现。当我们想到各种各样的材料时，通常不会想起它们，但这不代表它们不重要。薄膜就是这样的一类材料，早期人们为了节省成本，把大块单晶用微米甚至纳米厚度的薄膜来代替，大大节省了成本，同时也提高了效率，这就是芯片的来源。

现在有一种新的研究，专门用于开发新材料。不同于一般的薄膜制备，这种研究采用先进的制备技术，周期性地生长不同材料的单晶薄膜。每一层薄膜可以精确控制到单个晶胞厚度，像搭乐高一样将不同材料组合在一起，这种结构就是人工超晶格。它不仅能将不同材料的物性集成在一起，而且由于界面之间的耦合，能够产生很多新的物性。

图1 人工超晶格示意图

将薄膜材料减薄到只有一个原子层或分子层厚度，就成为了一种特殊的薄膜，即二维材料。2017年，加州大学伯克利分校XiangZhang教授与华盛顿大学Xiaodong Xu教授两个研究组分别在二维范德瓦尔斯晶体Cr2Ge2Te6与CrI3中发现了铁磁性的存在。铁磁材料被广泛地用于存储器件，如计算机的硬盘等。在二维材料中实现铁磁性，将能够极大地减小器件的尺寸，对开发新型超紧凑型磁存储、自旋电子器件等具有重要意义。

此外，实现二维磁性磁性材料实际应用的关键是如何对其磁各向异性进行调控。材料的磁性通常是由电子的自旋磁矩产生，磁各向异性就是指当电子的自旋沿着晶格的某些方向（易磁化轴）时，体系的能量更低。当前研究者主要通过改变样品的形状、表面、界面应变等方法来改变材料的磁各向异性。但在二维材料中，采用这些方法面临很大的困难，需要寻找新的手段来调控磁各向异性。

以过渡金属氧化物为代表的关联电子体系，由于复杂而密切的多体相互作用，呈现出丰富的物性，如高温超导、铁磁、铁电、多铁、庞磁电阻等。那么有没有可能在过渡金属氧化物中实现二维铁磁性并进行磁各向异性的调控呢？

近日，中国科学技术大学陆亚林教授团队使用激光分子束外延技术制备了由1单胞层厚SrRuO3和N单胞层厚SrTiO3组成的(SrRuO3)1/(SrTiO3)N超晶格，发现其中SrRuO3层的磁各向异性可以通过改变SrTiO3层的单胞层数进行调控。研究成果以 Correlation-driveneightfold magnetic anisotropy in a two-dimensional oxide monolayer 为题，发表在国际著名期刊 Science Advances 上（DOI:10.1126/sciadv.aay0114）。

图2 (A) N = 1及N = 3 (SrRuO3)1/(SrTiO3)N超晶格晶体结构示意图。(B)

两种典型的磁各向异性示意图，方格中的箭头表示磁矩的方向。左图：易磁化轴沿<001>方向。右图：易磁化轴沿<111>方向。

首先，研究人员通过实验证明了(SrRuO3)1/(SrTiO3)N超晶格的铁磁性仅存在于SrRuO3单胞层中。然后，他们通过各向异性磁阻等测试，发现当隔绝层SrTiO3的厚度N = 1和2时，单层SrRuO3的易磁化轴沿着<001>方向。而当SrTiO3层的厚度N ≥3时，低温下单层SrRuO3的易磁化轴变为沿着<111>方向，并且自旋能够实现以前未知的71度和109度翻转。

图3 (SrRuO3)1/(SrTiO3)N超晶格的各向异性磁阻测试。(A) 磁场H = 9 T在（100）面内旋转，电流沿[100]方向。(B) 磁场H = 9 T在（110）面内旋转，电流沿[110]方向。

针对磁各向异性改变的机制，研究人员通过第一性原理计算，发现在(SrRuO3)1/(SrTiO3)N超晶格中，随着SrTiO3的厚度N从1层变为5层，相邻SrRuO3层的耦合减小，导致电子关联效应增强。其结果是当SrTiO3的厚度大于3层时，SrRuO3单层中4d轨道上的电子结构发生改变，能隙打开。SrRuO3单层从N = 1和2时的金属态，转变为N≥ 3时的半导体态。更重要的是，4d轨道上电子的重新分布，会进一步影响SrRuO3单层的自旋轨道相互作用，从而导致了新的磁各向异性的产生。

图4 (SrRuO3)1/(SrTiO3)N超晶格磁各向异性的第一性原理计算。(A) N = 1和(D) N = 3超晶格的晶体结构。(B) N = 1和(E) N = 3超晶格费米面附近的态密度。(C) N = 1和(F) N = 3超晶格中磁矩沿不同晶格方向时系统的总能量。

这一发现首次通过调控电子关联效应在二维氧化物薄膜中实现了铁磁性，并在二维磁性体系中实现了对磁各向异性的调控，也为在二维氧化物薄膜中探索其他新奇物性提供了一种全新的手段。论文的第一作者为团队博士后崔璋璋，该项研究得到国家自然科学基金委、科技部、科学院和合肥微尺度物质科学国家研究中心的支持。 

参考文献：

1. Gong, C. et al. Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals. Nature 546, 265-269, (2017).

2. Huang, B. et al. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature 546, 270-273, (2017).

3. Cui, Z. et al. Correlation-driven eightfold magnetic anisotropy in a two-dimensional oxide monolayer. Sci. Adv. 6, eaay0114, (2020).

来源：中国科学技术大学