我国科学家自主研发强磁场磁力显微镜可识破电子相

　　LaCa0.₃₃MnO₃单晶薄膜样品在160 K低温下的变磁场循环MFM图像。

　　一直以来，科学家对锰氧化物的庞磁电阻（CMR）效应研究始终保持高昂热情。

　　所谓的庞磁电阻（CMR）效应，就是指随着外加磁场的改变，锰氧化物电阻急剧变化。而恰恰锰氧化物这一特性，能够使其具有成为新一代高密度磁存储材料的潜力。

　　“而要精确调控庞磁电阻效应，其电子相结构以及电子相分离行为的测量、控制与理解都是必不可少的。甚至可以说，要理解锰氧化物的庞磁电阻效应，首先就要理解其电子相分离。”中国科学院强磁场科学中心研究院研究员陆轻铀在接受《中国科学报》记者采访时说。

　　那么，该如何理解电子相和相分离呢？

　　陆轻铀以水和冰为例进行解释：水是液态，冰是固态。一盆水结成冰，虽然水和冰的成分相同，分子组成都是H₂O，但是水和冰的结构不同，从水到冰就发生了结构相的转变。如果一盆水，一半结冰一半还是水，从某种意义上来说，它就处在结构相分离状态。当成分相同但结构不同时，就造成了不同的结构相。

　　同样，在某些锰氧化物中，由于电子排布方式不同，也会产生不同的相，例如铁磁与反铁磁，这些不同的相就是电子相。

　　“铁磁与反铁磁在能量上没有谁占绝对优势，所以铁磁与反铁磁可以同时存在，就如同冰和水同在一个盆里一样，只是分离的是不同的电子相，而非结构相。由此可知，相分离就是多种不同的相一起共存的情况。”陆轻铀说。

　　遗憾的是，在没有合适微观探测工具的情况下，科研工作者往往只能结合宏观测量工具，对锰氧化物状态做出一个宏观、大致的推测。特别是在微观尺寸（10-6m）上对相分离随着温度、磁场、时间的演变一直是一个较大的研究空缺。

　　为此，陆轻铀课题组利用自主设计研发的强磁场磁力显微镜（MFM）对该类样品做了一系列探究工作，相关成果分别在Nature子刊（Nature Communication 6,8980）以及美国化学会核心期刊NANO LETTERS（2017年17卷1461页）上发表。

　　实验中，陆轻铀的课题组以LaCa_0.33MnO₃单晶薄膜样品（中国科学院合肥物质科学研究院研究员吴文彬提供）观察对象，在160 K低温下，用MFM对其变磁场循环情况进行研究，结果发现，在0T（无外加磁场）的初始状态，样品处于电子相分离状态，反铁磁与铁磁随机分布。但随着磁场强度的增强，反铁磁慢慢被融化形成铁磁，直到4T，所有反铁磁全部熔化为铁磁。

　　或许，这一加场反铁磁融化过程不足为奇，因为很多课题组都观察到过这个现象。但是随着磁场的降低，例如降至1.5和1.2T 时，反铁磁以特定的“条状”从纯铁磁态析出。最终降低到0T时，反铁磁“条”几乎全部占满了整个区域。这个逆向过程，为世界首次观测到，也是该研究的最大亮点。

　　“这正是因为使用自主研发的仪器，能在低温强磁场下工作，所以能做出别人未能完成的工作。”陆轻铀说。

　　另外的一项研究显示，该课题组选取了La_0.33Pr_0.34Ca_0.33MnO₃纳米线样品（中国科学技术大学教授曾长淦提供）。在高温区，纳米线主要由反铁磁相（青色）组成，铁磁相（红色）呈液滴态分布在其中。随着温度的降低，铁磁液滴长大，形成电子相分离状态。特别在低温，比如50K时，零场或者低场下，相邻铁磁畴被中间剩余的较薄反铁磁相隔开，形成隧穿结构。随着磁场增大，部分反铁磁转化为铁磁畴，形成隧穿结。由于一维各向异性，在低温强磁场下反铁磁仍能稳定存在，只是被压缩成很细的条带，从而在纳米线中形成本征的隧道结：一种稳定的新型量子逾渗态。

　　虽然理论模型能很好地解释输运的测量，但是科学界一直缺乏一个微观上的实空间直接观测证据。为此，陆轻铀课题组采用专门针对微米甚至纳米小器件设计的磁力显微镜，对该样品进行准确定位和控温变场测量，进而对理论模型进行印证。

　　“其实，更多、更奇妙的电子相结构与行为是必然存在的，有待我们自主研制各种具有调控能力的‘慧眼’去发现、调制、理解。”陆轻铀说。