撰稿|由课题组供稿
近日，南京大学王学锋教授、张荣教授团队与中科院宁波材料所钟志诚研究员课题组等合作，在超薄铁磁Mott绝缘体SrRuO3-δ与SrTiO3（001）构筑的垂直异质结霍尔器件中，通过紫外光激发电荷转移过程诱导了SrRuO3-δ可逆的绝缘体-金属相变，观察到了一种全新的具有中间自旋态的亚稳铁磁金属相SrRuO3-δ。这为利用光学手段调控低维关联电子体系的新奇量子效应提供了一条可行路径，也为新型自旋光电多功能器件的研制奠定了基础。该研究成果以“Light-Induced Mott Insulator-to-Metal Phase Transition in Ultrathin Intermediate-Spin Ferromagnetic Perovskite Ruthenates”为题发表于国际学术期刊Advanced Materials。
光作为一种调控手段在量子材料中可以诱导出多种新奇的量子现象，孕育着新一代电子信息器件的潜在应用。其中，利用超快激光脉冲已实现量子材料（尤其是强关联电子体系）的亚稳态光激发、光致超导、光致“隐藏相”和光致绝缘体-金属互转变等新奇物理现象，已成为量子材料前沿研究的焦点之一。相较于超快纳秒/飞秒激光，常规单色光源具有更易获得、对外界环境要求更低和性价比更高等优点，将其应用于物态调控，无论探索新奇量子现象还是研究新型光电器件的应用都具有非常重要的价值。
与传统半导体相比，关联氧化物电子体系由于电荷、自旋、轨道和晶格之间存在多重自由度耦合与竞争，使得异质界面处由于晶格的局域畸变、对称性破缺及其各序参量之间的相互作用而衍生出极为丰富的物理现象，是外场调控新颖量子现象的理想平台。钌酸锶SrRuO3是一种典型的具有钙钛矿结构的4d关联氧化物电子材料，因其具有强自旋轨道耦合、巡游铁磁金属及丰富量子行为的特征而在自旋电子学和拓扑电子学领域均备受关注。当SrRuO3薄膜外延生长在SrTiO3（001）晶向的单晶衬底上，且厚度精准控制在几个单胞层时（通常不大于4个单胞层，约1.6纳米），会首先出现金属-Mott绝缘体转变现象，也称“电学死层”行为。而要消除“电学死层”并在铁磁Mott绝缘SrRuO3超薄膜中实现新颖的量子相变，目前仍然存在着极大的挑战。
王学锋课题组通过在低温强磁场输运系统中原位引入常规单色光源（波长可在300至800纳米波段间连续可调），首先在γ-Al2O3/SrTiO3高迁移率二维电子气中观察到了器件的巨大光调制效应，导致载流子浓度和电子结构发生明显变化，并伴随着显著的Lifshitz转变【J. Phys. Chem. Lett. 126, 19002 (2022)】。受此启发，课题组利用激光分子束外延技术在SrTiO3（001）衬底上精确制备了3个单胞（约1.2纳米）厚的铁磁Mott绝缘相SrRuO3-δ，因其具有较低的氧空位形成能而大量缺氧（图1），并在低温下具有较高的饱和磁化强度（约2.1 μB/Ru，即Ru离子从低自旋态转化为中间自旋态，图2）。随后，在该异质结霍尔器件中通过原位紫外光辐照（波长360纳米，光功率密度低至0.3 mW·cm-2以排除热效应），激发了SrTiO3带边电子跃迁，产生了大量光生载流子，瞬时转移至超薄SrRuO3-δ铁磁层，最终在低温下诱导了其可逆的Mott绝缘相到金属相转变，表现为有无光照条件下对器件反常霍尔电阻信号的实时观测（图3）。动态平均场理论计算（图4）进一步确证了SrRuO3-δ奇异的光致绝缘体-金属量子相变特性，归因于SrRuO3-δ铁磁层中氧空位的存在和光生载流子作用下的轨道重构。
为了进一步验证上述光致量子相变的可靠性，课题组还制备了其他厚度（9-15单胞层）的SrRuO3薄膜。高分辨扫描透射电镜原子成像表征显示：更厚的薄膜在缺氧的SrRuO3-δ界面层（4单胞层，约1.6纳米）和不缺氧的SrRuO3上层之间形成了一个明锐的界面（图1c）。磁性测量也表明更厚的薄膜中存在着两种具有不同矫顽力的铁磁相，即具有中间自旋态的铁磁Mott绝缘相SrRuO3-δ和具有低自旋态的铁磁金属相SrRuO3（图2）。同样地，通过原位紫外光辐照诱导了更厚薄膜中Mott绝缘相SrRuO3-δ到金属相的转变，表现为光照下器件反常霍尔电阻信号的增强和另一个更低矫顽力的出现（图3d-i）。此外，一系列控制实验严格排除了衬底与薄膜的光致磁性变化以及衬底表面与界面效应对器件反常霍尔信号的可能贡献。
图1. 光致电荷转移及缺氧的SrRuO3-δ界面层显微表征。（a）异质结界面光致电荷转移示意图。（b-i）缺氧的SrRuO3-δ界面层和不缺氧的SrRuO3上层显微电镜表征。（j,k）SrRuO3-δ/SrTiO3异质结在有无光激发下的态密度示意图，显示了光激发下绝缘体-金属转变行为。（l）波长依赖的光致电阻变化。
图2. 具有中间自旋态的铁磁SrRuO3-δ超薄膜。（a-c）不同厚度SrRuO3薄膜的磁滞回线及其相应的拟合曲线，测量温度5K。（d）具有低自旋态（Ru 4d4）和中间自旋态（Ru 4d5）的轨道电子结构。
图3. 光激发诱导中间自旋态的亚稳铁磁金属相SrRuO3-δ。（a）光学调控实验器件示意图。（b）异质结在有无光照下的电输运曲线，显示绝缘体-金属转变行为。（c）瞬态光致电阻周期性变化的时间演化图。（d-i）不同厚度异质结在有无光照下的磁场依赖的反常霍尔电阻及其相应的拟合曲线，测量温度5K。（j）退火后不缺氧的异质结在有无光照下的反常霍尔电阻信号。（k）在光激发下具有全部金属特征的SrRuO3异质结示意图。
图4. 动态平均场理论计算。（a,b）有无氧空位的SrRuO3态密度。（c）SrRuO2.5与光生载流子相互作用下的态密度。
该工作重点研究了关联氧化物SrRuO3超薄膜的原子精度上的外延生长，通过紫外光激发过程诱导了铁磁SrRuO3-δ超薄层可逆的Mott绝缘体-金属相变，观察到了一种全新的具有中间自旋态的亚稳铁磁金属相SrRuO3-δ，并结合第一性原理计算揭示了Mott绝缘体-金属相变的物理机制。该工作所展示的异质结中光激发电荷转移诱导量子相变的策略为在低维关联电子体系中发现更多新型量子相（如非常规超导）和室温铁磁性提供了新的途径，也为低维关联电子体系在自旋光电器件中的应用开发打开了新的思路。
南京大学王学锋教授和中科院宁波材料所钟志诚研究员（负责理论计算）为该论文的共同通讯作者。南京大学电子科学与工程学院博士生刘汝新、西北大学司良教授和南京邮电大学钮伟副教授为论文的共同第一作者。南京大学张荣教授对该工作给予了重要指导。南京大学王鹏教授、宋凤麒教授、徐永兵教授及清华大学唐林博士等对该工作提供了大力支持和重要帮助。该项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费和中科院前沿科学重点研究计划等项目的资助。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202211612
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