鈣鈦礦型氧化鈷（）具有豐富的自旋態轉化。雖然本征板沒有長程有序自旋排列，但在基板施加的拉應力作用下，薄膜表現出異常的鐵磁絕緣性能。前期，中科院物理研究所、北京國家凝聚態物理研究中心特聘研究員郭二佳利用單晶襯底表面臺階的面內雙旋轉對稱性，實現了對薄膜準一維鐵彈性結構和磁各向異性的精確控制。國際上首次使用配備靜水高壓原位裝置的偏振中子反射光譜研究了可逆晶格畸變引起的磁變化。在物理研究所碩士研究生李思思的指導下，研究了不同薄膜厚度和不同外延應力下薄膜軌道有序和自旋態對宏觀磁性的非線性調控作用。這些研究證實，人工設計的微觀結構能夠有效地調控鈷離子的自旋態，從而實現鐵磁有序和鐵彈性有序的共存與耦合，為鐵磁超薄膜的實現提供了實驗依據。
近日，在物理研究所郭二甲、李思思、博士生林珊的指導下，與物理研究所的金奎娟、顧林、朱濤合作，利用無限氧化銅層的結構相變隨著厚度的減小而誘導鈷氧八面體鍵長和鍵角的變化， 實現單細胞層厚度（約0.4 nm）、強磁性（~0.5 μB/Co）和高居里溫度（~75 K）的超薄薄膜，解決了單初級層磁性氧化物不易應用于功能器件的問題。
研究人員采用脈沖激光沉積技術實現了單原代細胞層尺度的薄膜生長，精確控制了膜生長的層數、重復周期、原代細胞層截止面和堆疊方法（圖1）薄膜厚度高中物理，并根據功能要求人工設計切割氧化物異質結和超晶格， 從而實現“樂高式”原子層排列，為材料研究和探索強相關電子系統的物理機理奠定了基礎。在這項研究中，研究人員使用二階非線性光學檢測方法證實，當無限氧化銅層的厚度減少到5個初級細胞層時，CuO2銅氧表面的原子構型從水平（型）變為垂直（鏈型）。同時，面外晶格常數從 3.43 ？到 3.9 ？，格子拉伸10%以上。利用插層厚度帶來的晶格變化，研究人員探索了超薄膜的結構和磁性，以及其物理機制。當厚度小于 5 個引物電池層（鏈型）時，超薄膜表現出典型的鐵磁性。當厚度大于 5 個引物層（類型）時，超薄膜的鐵磁性消失（圖 2）。為了弄清楚[（）m/（）n]15超晶格磁性的起源，研究人員先后進行了磁圓二色性（XMCD）和偏振中子反射率（PNR）測量，結果均表明超晶格的磁性僅由超薄層貢獻（圖3）。探索超薄膜鐵磁性的物理起源是關鍵。研究人員利用掃描透射電子顯微鏡的環形亮相模式，精確觀察了不同時期超晶格中不同原子的位置，并闡明了氧化鈷八面體鍵長和鍵角的變化（圖4）。相變前后，鈷氧鈷鍵角從168°增加到180°，鈷氧鍵長度增加約1.1%。這些氧八面體參數的微小變化會導致晶格場能和交換能差的增加，并改變電子在T2G和EG能級的分布，導致鈷離子從低自旋態向高自旋態的轉變，促進長程有序電子自旋排列。為了最大限度地發揮微觀結構對鈷自旋態的影響，研究人員制備了單細胞層和單細胞結構的超晶格（圖5），發現與其他單細胞層磁性氧化物相比，單細胞層的飽和磁化強度和居里溫度有所提高。該材料表現出與磁性二維材料相似的強磁各向異性，為光泵浦和電流驅動的超薄自旋軌道扭矩器件提供了替代材料。
這
研究成果發表在Via in Thin上，并被選為重點文章（ ）。李思思、林珊和物理研究所副研究員張慶華是該論文的共同第一作者。金奎娟和郭二佳是該論文的共同通訊作者。科研工作先后獲得科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科技新星計劃、北京市自然科學基金、中科院戰略優先科技專項（B類）資助。這項工作還得到了武漢理工大學的Sang 教授和亞利桑那州立大學博士在高分辨率透射電子顯微鏡測量方面的支持，中國科學院高能物理研究所研究員Wang Jiaou在X射線吸收光譜方面的支持，以及美國國家標準局中子散射研究部的Tao Zhu和Ryan Need博士以及Brian Kirby博士在極化中子反射率測量中。
圖 1.[（）m/（）n]15（LmSn）超晶格的結構和電子態表征.（a） 含有單細胞層的L1S8超晶格的高分辨率TEM圖像。（b） LmSn系列超晶格沿薄膜生長方向的原子尺度高分辨率透射電鏡圖像和面外晶格常數。L3S3和L3S8超晶格Cu L吸收邊緣的X射線線偏振光譜[（c）和（d）]。
圖2.[（）5/（）1]15 超晶格的磁性。當厚度從 1 層變化到 20 層時薄膜厚度高中物理，（a） 磁矩場強度和 （b） 磁矩溫度變化。（c） 面外晶格常數（cSL）、（d）飽和磁化強度（Msat）和（e）矯頑場（HC）與厚度的關系
圖3.[（）5/（）1]15 超晶格的磁圓二色性[（a）示意圖和（b）Co L和Cu L吸收邊緣的X射線吸收光譜]和偏振中子反射光譜[（c）示意圖，（d）菲涅耳系數歸一化反射光譜和（e）密度和磁性隨厚度的分布]。
圖4.環場明相模式下的高分辨率掃描透射電子顯微鏡圖像。（a） [（）3/（）3]15 和 （b）[（）3/（）8]15 高分辨率透射環場亮相電子顯微鏡圖像的超晶格。（b）和（d）分別是M-O-M鍵角隨原代細胞層厚度的變化，其中M代表過渡金屬離子（例如Ti，Co，Cu）。（e） 鈷離子低、中、高自旋態可逆轉換示意圖
圖 5.單胞層 [（）1/（）1]15 超晶格的結構和磁性。（a）高分辨率TEM圖像，（b）元素分辨電子能量損失譜，（c）（L1S1）超晶格的電磁強度分布。（d） L1S1超晶格的磁矩-場強和（e）磁矩-溫度變化
