氧化物超导/铁磁异质结的近邻效应和涡旋物质研究

【摘要】：超导和铁磁是两种对抗性的长程序,二者之间的相互作用是当代凝聚态物理领域广为关注和富有挑战性的研究课题。由铜氧化物高温超导体(HTS)和庞磁电阻(CMR)锰氧化物铁磁体构成的HTS/CMR异质结不仅提供了超导和铁磁之间复杂相互作用的研究对象,也为实现新的功能器件,如超导自旋阀、π相的超导Josephson结等提供了结构基础。特别是,组成该类异质结的两种材料的本征电子强关联特性,导致了电荷、自旋、轨道和晶格多个自由度之间的相互耦合。而且CMR材料导带电子的高度自旋极化和HTS材料较高的临界温度和较低的载流子浓度,赋予此类系统新奇而丰富的物理现象和广泛的应用潜能。 本文首先介绍了脉冲激光沉积(PLD)技术外延生长HTS/CMR异质结及其微结构特征。通过基底失配应力、单元层成分及厚度、整体结构的人工设计实现异质结界面上两种序参量空间均匀性及相对强度的可控制性调节,并在此基础上开展超导和铁磁之间相互作用的研究。研究课题既涉及到超导/铁磁(S/F)界面上由于近邻电子耦合而导致的多种物理效应(如超导和铁磁序的共存、自旋极化的准粒子扩散、铁磁界面的自旋散射等),又涉及到两个子系统之间源于残余场的纯电磁耦合行为。主要研究内容和结果如下: 1)通过对PLD薄膜生长条件的优化,制备出多种类型的HTS/CMR异质结和复合结构。由于两种材料具有相似的晶格结构和晶格参数,以及良好的化学相容性,所制备的各类样品呈现完好的c轴取向、高度的面内织构和平整的表面形貌和界面。这些都为开展超导和铁磁之间相互作用的研究提供了良好的基础。 2)调节基底失配应力实现CMR材料铁磁序的非均匀性分布,从而获得了一种新型的、可诱导铁磁非均匀磁化的方法。采用应力敏感的Raman光谱和X射线衍射技术,分析LaAlO_3(LAO)基底上生长的La_(0.67)Sr_(0.33)MnO_3(LSMO)外延膜膜厚关联的晶格畸变和应力演化特征,并确立了薄膜微结构和宏观磁性质之间的依赖性。揭示出在具有晶格部分弛豫的薄膜中,应力的非均匀分布和高度的无序会导致铁磁/反铁磁(F/AF)相分离。 3)在人工设计的YBa_2Cu_3O_(7-δ)/La_(0.67）Sr_(0.33)MnO_3(YBCO/LSMO)双膜上开展了涡旋磁钉扎的实验研究。揭示出体系中存在依赖于温度的涡旋芯钉扎和磁钉扎之间的竞争,证实了应力诱导非均匀的铁磁序因为调制空间磁场可以用来钉扎涡旋,其特征是在高温下凸显并延伸到中场区域,这对于克服芯钉扎本征缺陷实现HTS薄膜及其涂层导体的高温载流具有重要的参考价值。另外,在具有更多磁不均匀性的LSMO/YBCO/LSMO三层膜中,观察到场冷条件下的巨大顺磁反应。顺磁磁矩随外加磁场单调增加并对温度的循环呈现不可逆性,由此推论巨大顺磁磁矩的出现是这类体系中磁钉扎调制的磁通高度压缩的结果,进一步揭示了超导体中的涡旋物质在极度不均匀的局域场下的磁响应。 4)采用传统的电磁输运测量手段,对HTS/CMR异质结界面上三种最重要的近邻电子过程进行了研究。这三种电子过程分别是超导近邻效应、铁磁界面的交换场拆对和自旋极化的准粒子扩散,特别研究了它们对单元层成分和厚度的依赖关系。首先,在YBCO/LSMO多层膜中通过单元层厚度改变,实现对超导和铁磁两种序参量的界面竞争的调制。在具有极薄单元层的多层膜中,通过面内和面外的磁滞回线观察到铁磁和超导两种成分,意味着体系中由于超导近邻效应而导致的超导和铁磁的可能共存;其次,在具有La_(0.88)Ca_(0.12)MnO_3(LCMO)铁磁绝缘相周期插入的YBCO/LCMO准多层膜中,观察到体系中源于铁磁界面的局域交换场拆对而导致超导电性的抑制;另外,在特别设计的外延生长的YBCO/LSMO/SrTiO_3(STO基底)双膜上,观察到界面自旋极化的准粒子扩散在抑制超导电性上起到的关键作用,给出了磁场抑制的界面自旋散射的直接证据。 以上研究不仅对氧化物S/F界面上多种物理过程和参量(例如:交换场拆对性质和特征长度)等有了更为清晰的理解,同时也为基于S/F异质结的新型电子器件的设计提供了重要的指导。