近日,强磁场科学中心陆轻铀课题组利用自主研制的强磁场可变温磁力显微镜,与中国科学技术大学曾长淦课题组合作,成功在一维相分离的单晶纳米线(La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3)中观测到本征的隧道结,为该材料中出现的量子遂穿效应以及一种新型稳定的量子逾渗态提供了证据支持。该研究成果以Quantum
Percolation and Magnetic Nanodroplet States in Electronically
Phase-Separated Manganite
Nanowires
为题在线发表于美国化学会核心期刊Nano
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材料的维度对材料性能有显著影响。为了调节材料性能,常常把材料做成二维甚至一维。特别地,很多研究表明一维限域将有效地改变均匀电子相材料的各种量子特性,但是对于电子相分离体系比如锰氧化物的一维限域研究却相对很少。以往关于锰氧化物的研究通常采用自上而下的刻蚀方法实现空间限域,这样往往造成刻蚀边界的复杂性,对材料性能影响较大。

曾长淦教授课题组采用自下而上的化学合成方法得到了高质量无边界的La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3单晶纳米线。但是,这种方法合成的纳米线随机分布于衬底上,给测量带来巨大困难:通常,在一个宏观尺寸衬底上找到一条微观尺度的纳米线并且对它进行控温变场测量是一件非常不容易的事情。为此,陆轻铀课题组自主研制了专门针对微米甚至纳米尺度小器件测量的磁力显微镜,并用该装置成功定位到一条长1微米、宽80纳米的纳米线,最终实现了对该微观样品的控温控磁场测量。

该纳米线在加场变温下的理论模型说明,在零场或者低场下,相邻铁磁畴被中间剩余的较薄绝缘相隔开,形成隧穿结构。随着磁场增大,部分绝缘畴转化为铁磁畴,形成形状更好的隧穿结。由于一维各向异性,在低温强磁场下绝缘畴仍能稳定存在,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,稳定一种新型的量子逾渗态。虽然理论模型能解释输运的测量,但是一直缺乏一个微观上的实空间直接证据。通过特制定位磁力显微镜,通过测量,成功证实了该模型。该项观测,对于理解以及调控该材料都有较大意义。

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La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3单晶纳米线相图及其在加场变温下的理论模型

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La0.33Pr0.34Ca0.33MnO3单晶纳米线实空间直接观测证据

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