近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心陸輕鈾課題組與英國(guó)華威大學(xué)彭威研究員、Marin Alexe教授及韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)的Daesu Lee教授等國(guó)際團(tuán)隊(duì)合作，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）的水冷磁體掃描力顯微鏡及超導(dǎo)磁體SMA組合顯微系統(tǒng)，在氧化物薄膜的鐵彈性晶體取向調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用超銳針尖誘導(dǎo)的剪切應(yīng)力，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化物薄膜中鐵彈性疇的三維操控。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于Nature Nanotechnology。

鐵性材料（如鐵磁、鐵電、鐵彈）中復(fù)雜的疇結(jié)構(gòu)及其誘導(dǎo)的局部異質(zhì)性，為理解與優(yōu)化材料的功能物性帶來了挑戰(zhàn)與機(jī)遇。鐵彈材料作為鐵性材料中最龐大的一類，其特征是晶格在機(jī)械應(yīng)力下表現(xiàn)出具備彈性滯后的多取向態(tài)（孿晶）切換。在復(fù)雜氧化物中，鐵彈序（晶體取向）常與其他自由度（如電荷、自旋、軌道等）強(qiáng)烈耦合，對(duì)材料的電子性質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而，目前納米尺度下對(duì)鐵彈序的非易失性、非破壞性調(diào)控手段仍十分缺乏，這嚴(yán)重制約了相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。

研究團(tuán)隊(duì)以鐵磁金屬氧化物SrRuO₃薄膜為研究對(duì)象，利用SHMFF水冷磁體平臺(tái)開發(fā)的高靈敏磁力顯微鏡系統(tǒng)（MFM），在2-300 K溫度范圍和0-35 T磁場(chǎng)條件下，直接觀測(cè)了納米磁疇結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具備（111）晶體取向的SrRuO₃薄膜在 5 K以下低溫基態(tài)時(shí)，需要27-35 T的超高磁場(chǎng)才能使磁疇逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。這一新發(fā)現(xiàn)的超穩(wěn)定磁結(jié)構(gòu)引起了研究人員的重點(diǎn)關(guān)注，通過原位對(duì)比掃描電子顯微鏡電子通道襯度（ECC）的鐵彈疇圖像和MFM的磁疇圖像，并結(jié)合微磁模擬，團(tuán)隊(duì)證實(shí)鐵彈疇壁處的面內(nèi)磁化分量以“頭對(duì)頭 / 尾對(duì)尾”模式排列，產(chǎn)生雜散場(chǎng)對(duì)比。這一發(fā)現(xiàn)揭示了該體系中存在的鐵磁-鐵彈性耦合（即磁彈性耦合）現(xiàn)象，表現(xiàn)為晶體取向鎖定的磁各向異性特性。

在調(diào)控技術(shù)方面，研究團(tuán)隊(duì)通過控制超銳針尖施加的剪切應(yīng)力場(chǎng)，在 SrRuO₃（001）和（111）薄膜中，分別實(shí)現(xiàn)了四變體和三變體晶體取向的選擇性切換，ECC成像清晰展示了疇結(jié)構(gòu)的可控轉(zhuǎn)變過程。進(jìn)一步的磁輸運(yùn)和MFM觀測(cè)表明，這種鐵彈切換可以精確調(diào)控磁易軸的取向選擇。通過調(diào)節(jié)原子力顯微鏡（AFM）針尖的載荷力，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)深度分辨調(diào)控：低載荷力可選擇性作用于薄膜表層，施加3 mN載荷力可貫穿10 nm厚薄膜全層，為設(shè)計(jì)垂直磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了新路徑。

該鐵彈性“書寫”技術(shù)已成功制備出50 nm寬的磁疇條紋和26×26 nm²點(diǎn)狀磁疇，其磁態(tài)可通過 MFM 穩(wěn)定讀取，估算存儲(chǔ)密度達(dá) 148 Gbit/cm²。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控層間磁各向異性，在SrRuO₃單層膜中實(shí)現(xiàn)無外場(chǎng)自旋軌道矩（SOT）磁化翻轉(zhuǎn)：當(dāng)表層晶體取向旋轉(zhuǎn)180度時(shí)，自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的層間自旋流不再抵消，反常霍爾信號(hào)變化幅度翻倍。該調(diào)控方案在 (La_0.7Sr_0.3)(Mn_0.9Ru_0.1)O₃體系中的成功復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證了其普適性。

研究中所使用的水冷磁體顯微鏡系統(tǒng)，在0-35 T超強(qiáng)磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)高分辨磁疇成像，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)輸運(yùn)測(cè)試在微觀觀測(cè)上的不足。該成果不僅建立了基于 AFM 針尖的三維鐵彈性“寫入”技術(shù)，為研究超導(dǎo)、磁輸運(yùn)等涉及結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的相關(guān)物性提供了新方法，還為機(jī)械可編程的非易失性納米電子學(xué)開辟了新方向。

英國(guó)華威大學(xué)彭威研究員、合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心孟文杰副研究員和韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué) Younji Kim 為共同第一作者；華威大學(xué)彭威、Marin Alexe 教授、強(qiáng)磁場(chǎng)中心陸輕鈾研究員及韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué) Daesu Lee 教授為共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01950-z

圖1水冷磁體磁力顯微系統(tǒng)實(shí)物、測(cè)試及鐵彈耦合鐵磁疇圖像：（a）展示了由疇壁處面內(nèi)分量分布區(qū)別導(dǎo)致的磁對(duì)比度示意圖；同一區(qū)域采集鐵彈疇、MFM及微磁學(xué)模擬圖像對(duì)比；（b）5 K下磁疇隨磁場(chǎng)0-30 T下演化過程。

圖2鐵彈性寫入與晶體方向選擇。（a）原子力顯微鏡針尖加載下剪應(yīng)力分布示意圖；（b）根據(jù)快速與慢速掃描軸，由拖尾引起的晶體剪切示意圖；（c,d）ECC圖像展示了確定性的鐵彈性寫入。

圖3 （a）基于晶向選擇的鐵磁各向異性調(diào)控；（b）機(jī)械寫入的鐵彈疇織構(gòu)的電子通道對(duì)比度（ECC）圖像及對(duì)應(yīng)磁力顯微鏡（MFM）圖像；（c）具有不同設(shè)計(jì)的鐵磁各向異性垂直不均勻性的SrRuO₃（001）的無場(chǎng)自旋軌道矩（SOT）切換回線