鐵磁絕緣體是兼具鐵磁有序與絕緣特性的量子材料。但是，自然界中尚未發(fā)現(xiàn)天然的鐵磁絕緣體，通過人工設(shè)計(jì)構(gòu)筑的室溫鐵磁絕緣體也極為罕見。特別是在過渡金屬氧化物體系中，受強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子、多軌道耦合與復(fù)雜界面效應(yīng)的影響，如何在室溫獲得穩(wěn)定鐵磁絕緣態(tài)一直是挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用界面工程與取向調(diào)控，設(shè)計(jì)構(gòu)筑了3d/5d過渡金屬氧化物異質(zhì)超晶格結(jié)構(gòu)。在（111）取向的銥酸鍶/錳酸鑭鍶超晶格中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種由界面增強(qiáng)自旋軌道耦合機(jī)制誘導(dǎo)的室溫鐵磁絕緣態(tài)。該體系克服了錳酸鑭鍶中雙交換機(jī)制的金屬態(tài)，并在錳酸鑭鍶的鐵磁金屬相到順磁絕緣相的轉(zhuǎn)變中，觀察到寬溫區(qū)的鐵磁絕緣相。這打破了錳酸鑭鍶“鐵磁即金屬”的認(rèn)知，為基于過渡金屬氧化物的下一代自旋電子學(xué)器件提供了新的材料平臺與設(shè)計(jì)思路。

研究利用自主搭建的脈沖激光沉積系統(tǒng)，生長出具有銳利原子級界面質(zhì)量的銥酸鍶/錳酸鑭鍶超晶格，并通過多種先進(jìn)表征手段，證實(shí)界面結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量與低原子擴(kuò)散特性。磁輸運(yùn)測量顯示，該體系在接近300K的溫區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的鐵磁絕緣行為；X射線磁性圓二色測試證實(shí)，室溫鐵磁性起源于錳酸鑭鍶的雙交換相互作用。

研究通過密度泛函理論第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，（111）取向界面處的電荷轉(zhuǎn)移受到抑制，表明該絕緣行為并非源于銥酸鍶與錳酸鑭鍶之間的直接電子交換。對磁輸運(yùn)特性的分析顯示，體系在近室溫觀察到顯著的弱反局域化信號，證實(shí)了強(qiáng)自旋軌道耦合的存在。研究基于實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果提出，在（111）界面處，強(qiáng)自旋軌道耦合與錳酸鑭鍶內(nèi)的極化子可能發(fā)生耦合作用，進(jìn)而增強(qiáng)電子—聲子相互作用，降低載流子的平均自由程，最終誘導(dǎo)絕緣化。

這一機(jī)制為理解鐵磁絕緣體的形成及其室溫穩(wěn)定性，提供了新的物理圖像和理論框架。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。