界面极性及电荷分布在非磁性超晶格中诱导出铁磁性

在强关联氧化物异质结中，由于界面处存在晶格、轨道、电荷、自旋等自由度之间的相互耦合作用，常会出现界面超导、多铁耦合、界面铁磁性等丰富的物理现象。其中，界面铁磁性由于在自旋电子学中的潜在应用，受到了研究人员的广泛关注。例如：在非磁性氧化物CaRuO₃/CaMnO₃、LaNiO₃/CaMnO₃ 组成的超晶格中，借助于巡游电子及极性不连续的存在，在这些异质结中发现了明显的界面铁磁现象。而在相似的非磁性LaNiO₃/SrMnO₃ 超晶格中，研究人员认为界面铁磁性是不会存在的，针对这一问题我们进行了深入的研究。

周国伟老师联合姬慧慧、严志博士（导师：许小红教授）利用带有原位反射式高能电子衍射的脉冲激光沉积系统制备了高质量的LaNiO₃/SrMnO₃ 超晶格。通过综合物性测量系统测试，在非磁性LaNiO₃、SrMnO₃组成的超晶格中发现了宏观铁磁性。如图 (a)-(b) 所示，利用同步辐射软X射线吸收谱及X射线光电子谱测试，发现在随LaNiO₃厚度变化的过程中，界面处的极性不连续将诱导出电荷转移现象，同时Ni²⁺含量减少，Mn³⁺含量将增加。这就意味着随LaNiO₃ 厚度的增加，Mn³⁺-Mn⁴⁺ 之间的铁磁双交换作用增强，Ni²⁺-Mn⁴⁺ 铁磁超交换作用减弱。因此在LaNiO₃较厚的超晶格中可以观察到界面铁磁性。而在LaNiO₃较薄的超晶格中，由于Ni²⁺-Mn⁴⁺ 铁磁超交换作用与Mn³⁺-Mn⁴⁺ 之间的铁磁双交换作用相互抵消，从而很难发现界面铁磁性。本研究不仅解释了前人在该体系中未发现铁磁性的原理，同时也为进一步理解界面处极性不连续对氧化物异质结性质的影响提供了有益参考。

相关成果以《Polarity and charge redistribution induced emergent interfacial ferromagnetism in non-magnetic LaNiO₃/SrMnO₃ superlattices》 为题，于2020年11月10日发表在Appl. Phys. Lett. 117, 192402 (2020)。全文链接：https://doi.org/10.1063/5.0028864

图1 (a) LaNiO₃/SrMnO₃ 超晶格界面处极性不连续诱导电荷转移示意图; (b) 超晶格LNO (n u.c.)/SMO (6 u.c.)中Ni²⁺、Mn³⁺比例变化图；(c) 超晶格LNO (n u.c.)/SMO (6 u.c.)的磁滞回线。