突破界面局限：(111) SrRuO?薄膜中涌現(xiàn)手性自旋晶體相 | 進(jìn)展

作為4d過渡金屬氧化物的典型代表，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的SrRuO?因具有巡游鐵磁性、強(qiáng)自旋-軌道耦合以及非平庸的拓?fù)鋵傩裕殉蔀樘剿麝P(guān)聯(lián)物理和新型自旋電子學(xué)器件的理想平臺(tái)。長(zhǎng)期以來，該領(lǐng)域的研究主要聚焦于(001)取向薄膜：一方面，通過界面工程引入外在Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，以誘導(dǎo)斯格明子（Skyrmions）等非共面拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)；另一方面，利用應(yīng)力工程調(diào)控晶格畸變與能帶雜化，操縱動(dòng)量空間的貝里曲率（Berry curvature），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反常霍爾效應(yīng)的調(diào)制。然而，這種依賴界面的非共面磁態(tài)往往極其脆弱，僅能存在于極少數(shù)原胞厚度的極薄層中。相比之下，沿(111)取向生長(zhǎng)的鈣鈦礦薄膜天然呈現(xiàn)出獨(dú)特的類蜂窩狀（Buckled honeycomb）晶格對(duì)稱性，這一特殊的幾何構(gòu)型為內(nèi)稟地激發(fā)并探索新型關(guān)聯(lián)拓?fù)湮飸B(tài)開辟了全新視角。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心SF06課題組劉笑然特聘研究員與郭建東研究員聯(lián)合SC03課題組邱祥岡研究員團(tuán)隊(duì)，圍繞(111)取向SrRuO?薄膜開展了系統(tǒng)深入的研究。輸運(yùn)測(cè)量表明，在居里溫度（約152 K）以下，體系展現(xiàn)出顯著且魯棒的拓?fù)浠魻栃?yīng)，給出了非共面拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)存在的強(qiáng)烈宏觀輸運(yùn)證據(jù)。更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用低溫磁力顯微鏡，在實(shí)空間直觀捕捉到了伴隨該效應(yīng)產(chǎn)生的周期性磁條紋疇結(jié)構(gòu)。通過傅里葉變換分析，確認(rèn)這是一種沿兩個(gè)正交方向傳播的“雙Q（Double-Q）”型自旋調(diào)制態(tài)。其物理圖像可精確描述為兩個(gè)正交擺線型自旋螺旋的量子疊加，這正是手性自旋晶體相的核心特征。結(jié)合蒙特卡洛微磁學(xué)模擬最終揭示，這種奇異的手性態(tài)純粹由(111)晶格幾何內(nèi)稟的磁阻挫與偶極相互作用的精妙平衡所驅(qū)動(dòng)。

這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了從“外在誘導(dǎo)”到“內(nèi)稟激發(fā)”的機(jī)制轉(zhuǎn)變，成功將SrRuO?中拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定存在條件，從傳統(tǒng)的幾個(gè)單胞（極薄極限）大幅拓展至厚度約20 nm的薄膜體系，突破了“SrRuO?體系拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)必須依賴極薄厚度或異質(zhì)結(jié)界面效應(yīng)”的傳統(tǒng)認(rèn)知局限。該發(fā)現(xiàn)不僅為在鈣鈦礦氧化物薄膜中創(chuàng)建與精準(zhǔn)調(diào)控非共面拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)開辟了一條全新的潛在路徑，更為未來新型自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)與理論支撐。

該研究成果以“Emergent Chiral Spin Crystal Phase in (111) SrRuO? Thin Films”為題，近期發(fā)表于ACS Nano期刊 [ACS Nano, 2026, 20(1): 603-611]。中國(guó)科學(xué)院物理研究所SF06組博士生丁兆晴為該論文第一作者；劉笑然特聘研究員、邱祥岡研究員、郭建東研究員為共同通訊作者。此外，SC03組謝永節(jié)博士在低溫磁力顯微鏡實(shí)驗(yàn)方面提供了重要支持，SF08組張堅(jiān)地研究員在晶體結(jié)構(gòu)與理論指導(dǎo)方面給予了幫助。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。

圖：由偶極作用與磁阻挫下形成的自旋晶體相

編輯：朗道都說妙

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