中国科大揭示界面自轨道耦合诱导氧化物室温铁磁绝缘体的新机制
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铁磁绝缘体（FMI）是一类同时具备铁磁有序与绝缘特性的量子材料，在自旋电子学器件中具有不可替代的优势：铁磁性可提供稳定的自旋极化，而绝缘性则能够有效避免电流带来的焦耳热损耗，使其成为实现低功耗自旋逻辑器件、磁绝缘体磁振子流调控以及无焦耳热耗散磁存储等前沿技术的关键材料。然而，自然界尚未发现天然存在的铁磁绝缘体，而依靠人工设计构筑的室温铁磁绝缘体也极为罕见。特别是在过渡金属氧化物体系中，由于强关联电子、多轨道耦合与复杂界面效应的共同作用，如何在室温获得稳定铁磁绝缘态长期以来是国际研究的重大挑战。
中国科学技术大学团队通过界面工程与取向调控，设计了 3d/5d 过渡金属氧化物异质界面结构。在（111）取向的SrIrO3/La2/3Sr1/3MnO3(SIO/LSMO)超晶格中，首次发现了一种由界面增强自旋轨道耦合（SOC）机制诱导的室温铁磁绝缘态。成功克服了LSMO中双交换机制的金属态，首次在LSMO的铁磁金属相到顺磁绝缘相的转变中观察到了宽温区的铁磁绝缘相。这一发现不仅打破了 LSMO 材料自上世纪五十年代被发现以来“铁磁必伴随金属性”的经典认知，也为基于过渡金属氧化物的下一代自旋电子学器件提供了全新的材料平台与设计思路。相关成果以“Interfacial Spin–Orbit Coupling Induced Room-Temperature Ferromagnetic Insulator”为题发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》（《Physical Review Letters》）。
图1：原子级的超晶格界面
团队利用自主搭建的脉冲激光沉积系统生长出具有锐利原子级界面质量的 SIO/LSMO 超晶格，并通过多种先进表征手段确认了界面结构的高质量与低原子扩散特性。磁输运测量显示，该体系在接近 300 K 的温区内表现出稳定的铁磁绝缘行为，XMCD进一步证实了室温铁磁性起源于LSMO的双交换相互作用。
为进一步揭示该体系绝缘态的形成机制，团队与西北大学司良教授团队开展了合作研究。通过DFT第一性原理计算揭示了（111）取向界面处的电荷转移被显著抑制，表明该绝缘行为并非源于 SIO 与 LSMO 之间的直接电子交换。随后，通过对磁阻行为的系统分析，在近室温观察到显著的弱反局域化信号，证实了体系中存在强SOC。最后基于实验与理论结果提出：在（111）界面处，强 SOC 与 LSMO 内的极化子可能发生耦合作用，从而增强电子–声子相互作用，降低载流子的平均自由程，并最终诱导绝缘化。该机制为理解 FMI 的形成及其室温稳定性提供了新的物理图像和理论框架。
图2: LSMO的铁磁金属相到顺磁绝缘相的转变中宽温区的铁磁绝缘相
中国科大国家同步辐射实验室2025级博士毕业生洪宇昊（现为丹麦技术大学博士后）是本论文独立第一作者，廖昭亮教授、陈凯研究员、甘渝林副研究员和西北大学司良教授为共同通讯作者。
上述研究得到了合肥光源（NSRL）和法国同步辐射光源（Soleil）Deimos beamline的宝贵机时支持，同时也得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dxdt-lpbr
（国家同步辐射实验室、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-3-5290.html中国科大揭示界面自轨道耦合诱导氧化物室温铁磁绝缘体的新机制
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