物理所发现具有优异交换偏置效应的双钙钛矿高压新材料

　　过渡金属钙钛矿氧化物表现出丰富的物理性质，为凝聚态物理和材料科学的研究提供了一个广阔的舞台。简单钙钛矿具有ABO3构型，若将B位放入两种金属离子，则会衍生出B位有序钙钛矿A2BB'O6。在后者中，两种过渡金属离子间将产生B-B/B'-B'/B-B'等多重磁关联，他们间的竞争将诱发丰富磁电性能。如果同时将高、低轨道d电子的过渡金属元素填入B位，例如3d(B)-5d(B')的组合，由于同时具有强关联效应和强自旋轨道耦合，将诱发出多铁性、轨道有序、半金属性等诸多奇异的物理性质。

　　常规条件制备的钙钛矿材料由于容忍因子（t因子）的限制，决定了B-O-B'的键角总是接近180°，而这想要获得较强3d-5d磁关联，则需要较小的B-O-B'的键角。为了达到这一目的，需要A位放入小尺寸离子，这势必使容忍因子严重偏离理想值1，这样的结构难以用常规条件制备。高压是研制具备特殊性能新材料的重要技术手段，高压高温合成技术可以稳定钙钛矿中的结构畸变，拓宽容忍因子范围。同时高压在自然界广泛存在，研究高压新物态是认识自然界实体物质的重要前提。中国科学院物理研究所靳常青团队长期开展类钙钛矿功能新材料的高压研制，通过高压技术创新，设计并研制发现了多种含有钙钛矿结构基元的量子功能新材料。

　　近期，该团队研究人员在高压合成的B位有序双钙钛矿结构功能材料研究上取得重要进展。磁交换偏执效应在自旋电子学领域有着广泛的应用，对一般的磁交换偏置材料而言，交换偏置场往往需要较大的冷却场（103高斯以上），这显然对实际应该非常不利。研究人员运用高压技术成功研制了B位有序双钙钛矿新材料Y2NiIrO6，该材料在192K发生亚铁磁转变，在170K以下表现出明显的磁交换偏置。低温下，仅需15高斯的冷却场（cooling field）就可以诱导1.1T的交换偏置场，如此低的冷却场在目前已知的材料中是非常罕见的。需要说明的是，这一交换偏置场是由磁滞回线在纵向上的移动（VMS效应）产生的，因此产生机制必然与传统的磁交换偏置效应不同。他们利用中子衍射和x射线磁圆二色（XMCD）确认了Ni2+-Ir4+磁矩的长程亚铁磁有序，XMCD进一步观察到Ir4+的强自旋轨道耦合及明确的轨道序。磁力显微镜（MFM）观察到磁畴奇异行为：施加较小的冷却场就可以显著改变磁畴的状态，但是低温下已经形成的磁畴在±3T的外磁场内均不发生明显改变，部分畴壁甚至在±7T的磁场变化中能够得以保持。正是这种被“钉”住的畴壁让磁滞回线在纵向上产生移动。需要说明的是，Y2NiIrO6中的VMS效应并不能用小回线现象来解释：在略高的温度下，磁滞回线能够在±7T的磁场中饱和，但是仍然能够观察到明显的VMS及其诱发的交换偏置场。结合中子衍射精修得到的准确IrO6八面体构型，他们认为压缩的八面体使Ir的轨道磁矩更倾向于沿最短的Ir-O键长排列，这种晶格-轨道间的耦合由强自旋轨道耦合、Ir-Ni间的强反铁磁关联放大，最终产生了巨大的磁各向异性，导致了畴壁的钉扎。

　　具有极低冷却场及大交换偏置效应的Y2NiIrO6将能提高自旋阀这类关键自旋电子学器件的灵敏度和稳定性，同时由于其极高的磁畴灵敏度，也在低场探测领域有着巨大应用潜力。相关研究成果以Giant Exchange Bias-Like Effect at Low Cooling Fields Induced by Pinned Magnetic Domains in Y2NiIrO6 Double Perovskite为题于近日在《先进材料》（Advanced Materials）上发表。相关研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委、北京市科学技术委员会和中国科学院青年创新促进会等项目的支持。

图1 期刊首页

图2 Y2NiIrO6的晶体结构，磁化率-温度曲线以及磁结构

图3 5K时不同冷却场中Y2NiIrO6的磁滞回线，以及VMS和交换偏执场与冷却场的对应曲线

图4 零场冷后1.6K的温度下，Y2NiIrO6分别在0T，2.5T和7T的畴结构。绿色，蓝色，红色分别表示零磁，正磁矩和负磁矩