Advanced Functional Materials:离子液体调控四氧化三铁Verwey相变

四氧化三铁因具有远高于室温的居里温度(约为860 K)和高自旋极化率(理论值为100%),被认为是未来自旋电子学器件应用中最具潜力的材料之一。同时,四氧化三铁也是一种典型的强关联氧化物,它随温度降低会在125 K附近发生“指纹式”的金属-绝缘体相变。该相变是荷兰科学家E. J. W. Verwey在1939年首先发现的,因此常被称为Verwey相变,对应的低温绝缘相被称为Verwey相。尽管Verwey最早指出该相变是由电荷有序化造成的,但确切的物理机制长久以来都是一个谜。2012年爱丁堡大学的J. P. Attfield组发现Fe3O4低温相的电子结构为三极化子(trimeron)。这成为揭开谜团的关键。由此关于该低温相的形成的近百年之谜及其调控再次成为了深入研究Verwey相变物理机制的热点课题。

杭州师范大学叶全林教授和荷兰格罗宁根大学叶剑挺教授联合报道了离子液体调控四氧化三铁Verwey相变的最新研究成果。

该论文采用离子液体双电层超强电场技术对外延生长的高品质四氧化三铁薄膜实现了可控的氢离子注入和氧空位诱导。研究发现氢离子和氧空位的出现在一定程度上破坏了三极化子结构,并同时产生了新的金属态导电通道,进而抑制了低温Verwey相的产生,实现了低温相的绝缘–金属转变。更进一步的研究发现,离子液体调控前后,薄膜的反常霍尔系数发生了由负到正的转变,这是由于离子液体超强电场注入的氢离子或诱导的氧空位所引起的晶格结构畸变对电子轨道构型和关联电子自旋取向的调控所致。该研究结果将进一步揭开四氧化三铁Verwey相变的秘密。这也将为研究类似强关联氧化物的金属–绝缘体相变现象的电荷、自旋、轨道、及晶格等自由度之间相互关联的物理机制提供关键的技术方案。

论文信息:

Modulating the Verwey Transition of Epitaxial Magnetite Thin Films by Ionic Gating

Yanliang Hou, Yang Liu, Xuxin Yang, Hongying Mao, Zhong Shi, Shuxiang Wu, Bin Lu, Quan-Lin Ye*, Jianting Ye*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202104816

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202104816