«Наша работа показывает, как эпитаксиальное несоответствие в решетке может использоваться в качестве узла, чтобы настроить энергичный пейзаж материалов Мотта и таким образом управлять переходами проводника/изолятора», говорит Цзянь Лю, постдокторский ученый теперь с Подразделением Материаловедения Berkeley Lab, которое является ведущим автором на бумаге, описывающей эту работу в журнале Nature Communications. «Через эпитаксиальное напряжение мы вызвали nickelate фильмы, содержащие только несколько атомных слоев в различные фазы с существенно различными электронными и магнитными свойствами. В то время как некоторые из этих фаз не доступны обычными способами, мы смогли произвести их в форме, которая готова к разработке устройств».
Коммуникационная бумага Природы названа «спроектированные электронные и магнитные фазы Гетероинтерфейса тонких пленок NdNiO3». Соответствующий автор – Джэк Чахэлиэн, преподаватель физики в Арканзасском университете. Соавторы – Мехди Каргэриэн, Михаил Кареев, Бен Грэй, Фил Райан, Алехандро Крус, Надим Тахир, И де Чуан, Цзинхуа Го, Джеймс Рондинелли, Джон Фрилэнд и Грегори Фит.Основанные на никеле редкоземельные окиси перовскита или «nickelates», считаются идеальной моделью для исследования материалов Мотта, потому что они показывают сильно коррелируемые электронные системы, которые дают начало уникальным электронным и магнитным свойствам.
Лю и его соавторы изучили тонкие пленки неодимовой окиси никеля использование АЛЬСА beamline 8.0.1, высокий ондулятор потока beamline, который производит лучи рентгена, оптимизированные для исследования наноразмерных материалов и сильно коррелируемой физики.«АЛЬС beamline 8.0.1 обеспечивает высокий поток фотона и энергетический диапазон, которые очень важны, имея дело с наноразмерными образцами», говорит Лю. «У современного Резонирующего рентгена, Рассеивающегося endstation, есть быстродействующая, высокая чувствительность камера CCD, которая делает выполнимым найти и отследить пики дифракции от тонкой пленки, которая была только шесть миллимикронов толщиной».Переход между проведением и изолированием фаз в nickelates определен различными микроскопическими взаимодействиями, некоторые из которых одобряют фазу проведения, некоторые, которые одобряют фазу изолирования.
Энергичный баланс этих взаимодействий определяет, как легко электричество проводится электронами, перемещающимися между ионами никеля и кислорода. Применяя достаточно эпитаксиального напряжения, чтобы изменить пространство между этими ионами, Лю и его коллегами смогли настроить этот энергичный баланс и управлять переходом проведения/изолирования. Кроме того, они нашли, что напряжение могло также использоваться, чтобы управлять магнитными свойствами nickelate, снова эксплуатируя несоответствие решетки.«Магнетизм – другой признак материалов Мотта, который часто идет рука об руку с изолированием, указывают, и используется, чтобы отличить изоляторы Мотта», говорит Лю. «Проблема состоит в том, что большинство изоляторов Мотта, включая nickelates, является антиферромагнетиками, которые макроскопическим образом ведут себя как антимагнитные материалы. «В АЛЬСЕ beamline 8.0.1, мы смогли непосредственно отследить магнитную эволюцию наших тонких пленок, настраивая переход металла к изолятору.
Наши результаты дают нам лучшее понимание физики позади магнитных свойств этих nickelate фильмов и указывают на возможное применение для этого магнетизма в новых устройствах Mottronics».Это исследование было, прежде всего, поддержано Офис американского Министерства энергетики Науки.