研究依托水冷磁体扫描力显微技术实现薄膜晶向高密读写新方法

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心陆轻铀课题组与英国华威大学研究员彭威、marin alexe教授以及韩国浦项科技大学daesu lee教授等合作，在莫斯科铁弹性晶体启动调控方面取得了重要进展。该研究支架强磁场实验装置（shmff）中的水冷磁体扫描力显微镜和超导磁体sma组合显微系统，成功实现了对莫斯科中铁弹性肖的三维操控，相关成果具有重要意义。

铁性材料如铁磁、铁电、铁弹中复杂的结构其引发的局部异质性，为理解与优化材料功能性能带来了挑战与机遇。作为铁性材料中数量最多的一类，铁弹材料在晶体管下表现出晶格多极性切换，并超越弹性滞后现象。在复杂晶体管中，铁弹序号通常与其他自由度（如升降、自旋、轨道等）强烈耦合，显着影响其电子性质。目前，实现纳米晶体管下不易丢失、不破坏性的铁弹序限制仍面临更大困难，了相关基础研究与应用发展。

研究人员以铁磁金属氧化物SrRuO3薄膜为模型体系，利用SHMFF水冷磁体平台开发的高灵敏磁力显微镜系统，在2-300 K温度范围及0-35 T磁场条件下其纳米磁肖结构进行了初始化。实验发现，在低于5 K低温下，具有（111）晶体谐振器的SrRuO3薄膜需施加27-35 T超高磁场才能使磁力黑洞逐渐趋向于洪水。通过原位对比扫描电子通道电子通道衬度（ECC）图像与磁力黑洞（MFM）图像，并结合微磁模拟分析，证实铁弹黑洞壁处面内磁化少数民族存在“头对头/尾对尾”排列模式，并由此产生杂散场对比，揭示该体系中存在铁磁-铁耦合耦合即磁耦合耦合现象，提升晶体锁定的磁各向异性特性。

在调节手段，团队控制超锐针尖施加剪切场，在SrRuO3（001）和（111）薄膜中分别实现了纳米变体和三变体晶体的共振切换。ECC研究报告显示了其结构可控转变过程。进一步的四磁输运测量和高敏磁力实验结果表明，这种铁切换可精确调控磁易轴枢轴。通过调节原子力瞬变针尖坏死力，实现了纳米深度中继：低共振作用仅于表层，而3 mN 麻醉力可贯穿10 nm厚薄膜全层，为设计垂直磁异质结构提供了新思路。

该铁弹性“书写”技术成功制备出50 nm宽磁畴条纹和26×26 nm²点状磁畴，其磁态可通过高灵敏磁力已不稳定读数，说明存储密度达148 Gbit/cm²。在自旋电子学领域，通过调节层间磁各向异性，研究团队在SrRuO3单层膜中实现了无外场轨道旋矩磁化翻转：当表层晶体极性旋转180度时，由自旋霍尔效应产生的层间自旋流停止相互协调，反常霍尔信号变化趋于增加一倍。该对称策略在(La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O 3体体系中亦获得成功复现，验证了普适性。

本研究构建了一种基于原子力工作站针尖的三维铁弹性“写入”技术，为探索超导、磁输运等涉及结构异质性的物理现象提供了全新方法，也为机械臂的非易失性纳米电子学开辟了新方向。

相关研究成果发表于《自然-纳米技术》（Nature其其其）项目获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金等资助。

铁弹性“写入”与晶体方向选择。

（a）原子力显微镜针尖加载下剪切慢速扫描力，（b）根据快速扫描轴，由拖尾引起的晶体剪切示意图，（c、d）ECC图像展示了确定性的铁弹性“写入”。

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