磁近邻诱导的CaRuO3强自旋轨道耦合室温铁磁相

日期： 2024-12-17

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来源：中国科学院物理研究所

利用自旋轨道矩（SOT）将电荷流转换成自旋流从而实现电控磁是自旋电子学的核心问题。目前的SOT器件主要利用的是强自旋轨道耦合（SOC）非磁重金属材料的自旋霍尔效应。自旋霍尔效应要求电荷流传输方向、自旋流传输方向以及自旋极化方向满足相互正交的几何构型。该构型的限制使得对垂直磁矩进行翻转时必须施加额外的面内辅助磁场，从而导致了功耗的增加且制约了器件的小尺寸化。近期的理论和实验研究均指出，铁磁材料的反常霍尔效应也可以产生自旋流，且其自旋取向可受外场调控。

相较于传统的非磁性重金属，同时具有强SOC与铁磁性的材料将有望提高SOT器件的转换效率。然而，天然具有强SOC与铁磁序的材料较为罕见。在过渡金属氧化物中，4d/5d族氧化物具有较大的SOC，然而其电子能带的扩展减弱了电子关联性，通常表现为顺磁性。SrRuO3是唯一同时具有强SOC与铁磁性的氧化物，但是其居里温度只有160K远低于室温，制约了其在实际器件中的应用。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组近年来致力于氧化物异质界面物性设计及调控方面的研究工作。最近，该组博士研究生郑洁在陈沅沙副研究员、孙继荣研究员的共同指导下，联合物理所朱涛研究员，松山湖材料实验室张静副研究员，将室温铁磁性氧化物La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO)与强SOC顺磁氧化物CaRuO3 (CRO)组合构成人工超晶格，利用界面磁邻近效应成功构筑了一种具有强SOC的室温铁磁界面相。谱学与极化中子反射分析显示，CRO/LSMO界面强烈的Ru向Mn电荷转移导致Ru/Mn离子产生反铁磁超交换耦合，从而诱导出一种新的界面铁磁相。该强SOC铁磁界面相使得CRO/LSMO超晶格的反常霍尔电导与反常霍尔角在150K-300K温区出现明显增强。与应用最广的室温铁磁性氧化物 LSMO 单层膜相比，CRO/LSMO超晶格样品的反常霍尔电导率

（或反常霍尔角）在150K时提高了30（或 31）倍，在300K时提高了10（或3）倍。这项工作展示了一种在具有强 SOC 的重过渡金属氧化物中诱导铁磁性的独特方法，为发展全氧化物自旋电子器件提供了新的思路。

本研究的相关内容以“Room-Temperature Ferromagnetism with Strong Spin?Orbit Coupling Achieved in CaRuO3 Interfacial Phase via Magnetic Proximity Effect”为题发表在《ACS NANO》上。M03组博士生郑洁与松山湖材料实验室张静副研究员为该论文的共同第一作者，通讯作者为陈沅沙副研究员，朱涛研究员和孙继荣研究员。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委项目、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院重点项目的支持。该工作的谱学实验测量在大科学装置上海同步辐射光源BL07U与BL08U1A线站上完成。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10014

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