近日，中國科學院合肥物質院強磁場中心陸輕鈾課題組與英國華威大學彭威研究員、Marin Alexe教授及韓國浦項科技大學的Daesu Lee教授等國際團隊合作，依托穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)的水冷磁體掃描力顯微鏡及超導磁體SMA組合顯微系統，在氧化物薄膜的鐵彈性晶體取向調控領域取得重要進展。研究團隊利用超銳針尖誘導的剪切應力，首次實現對氧化物薄膜中鐵彈性疇的三維操控。相關研究成果在線發表于Nature Nanotechnology。
 

　　鐵性材料(如鐵磁、鐵電、鐵彈)中復雜的疇結構及其誘導的局部異質性，為理解與優化材料的功能物性帶來了挑戰與機遇。鐵彈材料作為鐵性材料中最龐大的一類，其特征是晶格在機械應力下表現出具備彈性滯后的多取向態(孿晶)切換。在復雜氧化物中，鐵彈序(晶體取向)常與其他自由度(如電荷、自旋、軌道等)強烈耦合，對材料的電子性質產生深遠影響。然而，目前納米尺度下對鐵彈序的非易失性、非破壞性調控手段仍十分缺乏，這嚴重制約了相關基礎研究和應用開發。
 

　　研究團隊以鐵磁金屬氧化物SrRuO3薄膜為研究對象，利用SHMFF水冷磁體平臺開發的高靈敏磁力顯微鏡系統(MFM)，在2-300 K溫度范圍和0-35 T磁場條件下，直接觀測了納米磁疇結構。實驗發現，具備(111)晶體取向的SrRuO3薄膜在 5 K以下低溫基態時，需要27-35 T的超高磁場才能使磁疇逐漸達到飽和狀態。這一新發現的超穩定磁結構引起了研究人員的重點關注，通過原位對比掃描電子顯微鏡電子通道襯度(ECC)的鐵彈疇圖像和MFM的磁疇圖像，并結合微磁模擬，團隊證實鐵彈疇壁處的面內磁化分量以“頭對頭 / 尾對尾”模式排列，產生雜散場對比。這一發現揭示了該體系中存在的鐵磁-鐵彈性耦合(即磁彈性耦合)現象，表現為晶體取向鎖定的磁各向異性特性。
 

　　在調控技術方面，研究團隊通過控制超銳針尖施加的剪切應力場，在 SrRuO3(001)和(111)薄膜中，分別實現了四變體和三變體晶體取向的選擇性切換，ECC成像清晰展示了疇結構的可控轉變過程。進一步的磁輸運和MFM觀測表明，這種鐵彈切換可以精確調控磁易軸的取向選擇。通過調節原子力顯微鏡(AFM)針尖的載荷力，團隊實現了納米級深度分辨調控：低載荷力可選擇性作用于薄膜表層，施加3 mN載荷力可貫穿10 nm厚薄膜全層，為設計垂直磁異質結構提供了新路徑。
 

　　該鐵彈性“書寫”技術已成功制備出50 nm寬的磁疇條紋和26×26 nm2點狀磁疇，其磁態可通過 MFM 穩定讀取，估算存儲密度達 148 Gbit/cm2。在自旋電子學領域，團隊通過調控層間磁各向異性，在SrRuO3單層膜中實現無外場自旋軌道矩(SOT)磁化翻轉：當表層晶體取向旋轉180度時，自旋霍爾效應產生的層間自旋流不再抵消，反常霍爾信號變化幅度翻倍。該調控方案在 (La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O3體系中的成功復現，驗證了其普適性。
 

　　研究中所使用的水冷磁體顯微鏡系統，在0-35 T超強磁場下實現高分辨磁疇成像，彌補了傳統輸運測試在微觀觀測上的不足。該成果不僅建立了基于 AFM 針尖的三維鐵彈性“寫入”技術，為研究超導、磁輸運等涉及結構異質性的相關物性提供了新方法，還為機械可編程的非易失性納米電子學開辟了新方向。
 

　　英國華威大學彭威研究員、合肥物質院強磁場中心孟文杰副研究員和韓國浦項科技大學 Younji Kim 為共同第一作者；華威大學彭威、Marin Alexe 教授、強磁場中心陸輕鈾研究員及韓國浦項科技大學 Daesu Lee 教授為共同通訊作者。該項研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等的支持。
 

　　圖1水冷磁體磁力顯微系統實物、測試及鐵彈耦合鐵磁疇圖像：(a)展示了由疇壁處面內分量分布區別導致的磁對比度示意圖；同一區域采集鐵彈疇、MFM及微磁學模擬圖像對比；(b)5 K下磁疇隨磁場0-30 T下演化過程。

 

　　圖2鐵彈性寫入與晶體方向選擇。(a)原子力顯微鏡針尖加載下剪應力分布示意圖；(b)根據快速與慢速掃描軸，由拖尾引起的晶體剪切示意圖；(c,d)ECC圖像展示了確定性的鐵彈性寫入。

 

　　圖3 (a)基于晶向選擇的鐵磁各向異性調控；(b)機械寫入的鐵彈疇織構的電子通道對比度(ECC)圖像及對應磁力顯微鏡(MFM)圖像；(c)具有不同設計的鐵磁各向異性垂直不均勻性的SrRuO3(001)的無場自旋軌道矩(SOT)切換回線