新進展！強關聯電子材料Sr4Ru3O10磁輸運的磁轉變

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心田明亮課題組博士劉艷在副研究員楊繼勇的指導下采用機械剝離單晶的辦法，結合電子束曝光和微納加工技術，制備了一系列具有納米尺度且厚度不同的高質量Sr4Ru3O10單晶薄片，通過磁輸運測量系統研究了其各向異性磁阻特性。

　　含有4d電子的鈣鈦礦釕氧化物Srn+1RunO3n+1(n=1, 2, 3,∞)體系材料因存在多種自由度，包括電荷、自旋、晶格以及軌道間的復雜相互作用，蘊含著豐富的物理現象，如自旋三重態配對的超導電性、非朗道費米液體行為、磁場誘導的量子臨界等，是凝聚態物理研究電子關聯的模型材料。Sr4Ru3O10是Srn+1RunO3n+1體系中具有代表性的材料之一，該材料在TC=105 K處會發生鐵磁轉變，在TM～50–70 K處發生第二個磁轉變并伴隨在ab平面內的變磁轉變（metamagnetic transition）。雖然該材料已經被研究了二十多年，但關于第二個磁轉變的機理以及與變磁轉變的關系一直不清楚。

　　研究團隊通過實驗發現：納米薄片的第一個磁轉變溫度不隨厚度變化，而第二個磁轉變溫度TM會隨著樣品厚度的減薄而降低，且其各向異性磁阻總是會在TM處發生正負反轉，如圖所示。即當外加磁場方向沿著c軸（或平行ab-面）時，在TM<T<TC，其磁阻信號為正（或負），而在T<TM，其磁阻信號為負（或正）。這一結果充分表明納米薄片中的磁矩隨著溫度的降低在TM處發生了從ab面到c方向的翻轉。

　　進一步研究發現，引起納米薄片中自旋發生翻轉的原因是形狀各向異性與磁晶各向異性的競爭，其中形狀各向異性有利于自旋在ab面呈鐵磁排列，而磁晶各向異性有利于自旋沿c方向鐵磁排列，但其嚴重地受到c方向晶格長度的調制。因Sr4Ru3O10中c軸的晶格常數在~70K以下存在負熱膨脹，這導致低溫下磁晶各向異性能增強，最終在TM處完全克服形狀各向異性從而使得自旋發生翻轉。樣品越薄其形狀各向異性越強，這也是為什么TM會隨著厚度降低而降低。

　　這些結果說明Sr4Ru3O10中TM處的第二個磁轉變并不是一個真正的熱力學相變，只是在該溫度處因晶格自由度的驅動，其自旋發生了重取向。相關工作以Magnetic reversal in Sr4Ru3O10 nanosheets probed by anisotropic magnetoresistance 為題發表在美國《物理評論B》(Physical Review B)上。

　　該工作所用單晶由Colorado大學教授曹鋼提供。項目實施過程中得到了國家自然科學基金委、國際創新團隊以及合肥大科學中心等的支持。