納米尺度下的磁學(xué)圖像對于研究磁性材料和超導(dǎo)樣品是非常重要的，用attocube公司低溫強磁場原子力/磁力/掃描霍爾顯微鏡-attoAFM/attoMFM/atoSHPM系統(tǒng)，科學(xué)家可以在無以倫比的空間分辨率（20nm）和磁場敏感性下分析樣品磁性，工作溫度從低溫、強磁場到室溫。

設(shè)備型號

    低溫強磁場原子力/磁力/掃描霍爾顯微鏡-attoAFM/attoMFM/attoSHPM采用模塊化的設(shè)計。用標(biāo)配的控制器和樣品掃描臺，用戶僅需要更換掃描頭和對應(yīng)的光學(xué)部件即可實現(xiàn)不同功能之間的切換。

■  低溫強磁場磁力顯微鏡 - attoMFM I系統(tǒng)

■  低溫強磁場掃描霍爾顯微鏡- attoSHPM系統(tǒng)

應(yīng)用案例

■  發(fā)現(xiàn)金屬緣轉(zhuǎn)變的中間態(tài)

低溫強磁場原子力顯微鏡attoAFM/磁力顯微鏡attoMFM

    通常，階金屬-緣體轉(zhuǎn)變表明金屬態(tài)與緣相可以在超快的時間尺度內(nèi)共存。來自上海復(fù)旦大學(xué)的沈健教授以及殷立峰課題組發(fā)現(xiàn)了La_0.325Pr_0.3Ca_0.375MnO₃材料在光誘導(dǎo)下的階金屬-緣相變中可以存在長時間穩(wěn)定的第三種中間態(tài)。這個實驗結(jié)果表明，鐵磁金屬態(tài)與電荷有序緣態(tài)兩種不同態(tài)之間存在定的聯(lián)系。

上圖: 左上角器件示意圖，光纖引入激光照射到樣品表面； 不同光強度下，MFM磁力顯微鏡數(shù)據(jù)表明樣品中存在三種不同相態(tài)的存在，三種相態(tài)分別是鐵磁金屬態(tài)，電荷有序緣態(tài)以及中間態(tài)

    德國attocube公司的低溫強磁場原子力顯微鏡attoAFM使用雙通道模式可以同時測量樣品的表面形貌以及樣品的磁疇分布，空間分辨率可以達(dá)到納米尺度。結(jié)合磁力顯微鏡成像與磁光克爾（MOKE）測量，課題組作者鑒定了中間態(tài)是鐵磁金屬態(tài)與電荷有序緣態(tài)的共存狀態(tài)。該實驗發(fā)現(xiàn)在階金屬緣中開創(chuàng)了兩個*不同的相變的共存。下步，該實驗結(jié)果可以被參考用于研究其他凝聚態(tài)材料中的階金屬緣相變。

上圖：圖左MFM磁力顯微鏡數(shù)據(jù)：1是鐵磁金屬態(tài)，2是中間態(tài)，3是電荷有序緣態(tài)。圖右：三種不同態(tài)在不同光照強度下的強度變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] LiFeng YIN, et al. Unexpected Intermediate State Photoinduced in the Metal-Insulator Transition of Submicrometer Phase-Separated Manganites, Physical Review Letters, 120, 267202 (2018).

■  低溫強磁場磁力原子力成像-強關(guān)聯(lián)氧化物中邊界態(tài)

低溫強磁力顯微鏡attoMFM

    邊界態(tài)研究不僅有助于基礎(chǔ)物理知識理解，而且對實際電子器件產(chǎn)品的開發(fā)也有巨大潛在幫助。近，二維電子氣中（拓?fù)渚夡w與石墨烯等）中由于破缺對稱性引入邊界態(tài)的研究引起廣泛關(guān)注，然而，強關(guān)聯(lián)氧化物中可能存在的邊界態(tài)直缺少實驗驗證。

    上海復(fù)旦大學(xué)的杜凱博士等人用德國attocube公司的低溫強磁力顯微鏡attoMFM實驗測量了強關(guān)聯(lián)氧化物（LPCMO)中存在的邊界態(tài)。實驗過程中，杜博士等人研究了不同溫度與磁場下強關(guān)聯(lián)氧化物材料的表面形貌與磁力性能成像。attoMFM系統(tǒng)在測量樣品的磁力成像之外還原位測量了電學(xué)輸運性質(zhì)。結(jié)合磁力性能成像、電學(xué)輸運結(jié)果與理論計算分析，該氧化物材料當(dāng)其自身越來越窄時，由于對稱性破缺導(dǎo)致的鐵磁金屬性邊緣態(tài)的存在，可以得到更高的金屬緣轉(zhuǎn)變溫度與更低的電阻率。

    該結(jié)果*實驗觀測到了強關(guān)聯(lián)氧化物中破缺對稱性引入的邊界態(tài)，作者預(yù)見，強關(guān)聯(lián)氧化物體系中可能存在更多新奇的邊界物理狀態(tài)。隨著attoMFM在更多材料中應(yīng)用，更多的物理現(xiàn)象與機(jī)制將被不斷發(fā)現(xiàn)與證實。

上圖：低溫磁場 (9T)下樣品AFM與MFM圖

參考文獻(xiàn)：Kai Du et al. Visualization of a ferromagnetic metallic edge state in manganite strips. Nature Communications 2015, 6:6179

■  低溫強磁場磁力原子力顯微鏡—超巨磁阻材料磁疇研究

低溫強磁力顯微鏡attoMFM

    很多基于亞錳酸鹽的混合物具有超巨磁阻效應(yīng)。磁疇壁電阻會影響磁致電阻，然而對于溫度與磁場強度對于鐵電材料中的磁致電阻效應(yīng)的影響還需進(jìn)步的理解。為了研究層狀亞錳酸鹽中的磁致電阻效應(yīng)，是很有必要研究零磁場下不同溫度下或者磁場引入的鐵電態(tài)的鐵電磁疇成像。

    Benjamen B. 等人用德國attocube公司的低溫強磁場磁力顯微鏡attoMFM實驗測量了鐵電性超巨磁阻雙層層狀材料亞錳酸鹽La1.2Sr1.8Mn2O7中的磁學(xué)性質(zhì)。在零磁場下，不同溫度下的磁力成像數(shù)據(jù)表明，在低于定溫度時候（通常是距離溫度，該材料距離溫度在118K左右），磁疇壁可以被明確觀測到。在定溫度下，不同磁場下的磁力原子力顯微成像數(shù)據(jù)表明，在接近但低于材料居里溫度時，磁場對于磁疇壁的影響可以被明確觀測到。隨著磁場增大，由于混亂態(tài)被抑制，磁疇壁出現(xiàn)，當(dāng)磁場接著變大，材料整體被磁化，因此磁疇壁會再次消失。

    通過以上低溫磁場下磁力原子力顯微鏡的測量數(shù)據(jù)實際觀察到了層狀巨磁阻材料二層層狀材料中的磁疇壁，溫度與磁場對巨磁阻材料的影響被仔細(xì)研究。作者預(yù)見，該低溫原子力磁力成像技術(shù)對磁學(xué)相位與成核過程等理解超巨磁阻效應(yīng)關(guān)鍵步驟的研究具有很大幫助。

 參考文獻(xiàn)：Bryant, B.;et al. Temperature and field dependence of magnetic domains in La1.2Sr1.8Mn2O7. Physical Review B 2015, 91, 134408.

■  低溫強磁場原子力磁力顯微鏡—納米尺寸分子磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)

低溫強磁力顯微鏡attoMFM

    對于電子自旋結(jié)構(gòu)的成像與操縱直以來是磁學(xué)域的挑戰(zhàn)，與之相關(guān)的電子自旋現(xiàn)象有斯格明子、刺猬狀自旋結(jié)構(gòu)、磁通漩渦等。磁通漩渦電子自旋結(jié)構(gòu)是研究多位磁學(xué)存儲介質(zhì)的個重要現(xiàn)象。關(guān)于磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)的工作都是對微米尺度開展的，納米尺度的磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)工作需要進(jìn)步的研究。

    Elena P. 等人用德國attocube公司的低溫強磁場磁力顯微鏡attoMFM在實驗中清晰的觀測到了25nm尺寸單個分子中磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。有趣的是，只需通過施加很小的外加磁場（600 Ｏｅ左右），單分子中的磁通漩渦就可實現(xiàn)中心性反轉(zhuǎn)。在４.２Ｋ的低溫環(huán)境中，通過施加連續(xù)變化的外加磁場與attoMFM成像的實驗數(shù)據(jù)，分析表明，納米單分子磁通漩渦磁性隨著外加磁場可以發(fā)生清晰的中心性反轉(zhuǎn)。作者也實驗研究了不同尺寸單個分子中的磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)機(jī)制。

    作者預(yù)見，該次實驗結(jié)果中納米尺寸單分子的磁通漩渦中心性轉(zhuǎn)換的性可能為未來數(shù)據(jù)存儲開創(chuàng)了新的方法，數(shù)據(jù)的讀寫可以通過很小的磁場來操縱。

上圖　實驗觀測到納米分子中磁通漩渦中心性反轉(zhuǎn)

 參考文獻(xiàn)：“Switching the Magnetic Vortex Core in a Single Nanoparticle”Elena P. et al, ACS Nano 2016, 10, 1764−1770

■  氧化物材料中尺寸限制對于電子相分離現(xiàn)象

低溫強磁力顯微鏡attoMFM

    電子相分離（Electronic phase separation, EPS）對復(fù)雜氧化物（例如錳氧化物）的電學(xué)與磁學(xué)性質(zhì)具有很大的影響。個很重要但是還未被*理解的問題是材料尺寸對于復(fù)雜氧化物中電子相分離（Electronic phase separation, EPS）的影響是什么。

    J. Shao等人用attoMFM分析了不同尺寸（五百納米到7微米）LPCMO氧化物圓盤在不同溫度下的磁學(xué)性質(zhì)。磁力成像結(jié)果（圖1）表明，當(dāng)圓盤尺寸較大的時候，電子相分離是鐵電金屬相與有序電荷緣相兩相共存狀態(tài)。令人驚奇的，當(dāng)材料本身尺寸小于電子相分離征尺寸時候，電子相會轉(zhuǎn)變?yōu)閭€單相狀態(tài)。

    作者預(yù)見：該研究結(jié)果對于電子相分離操縱有積意義，對氧化物電子與自旋電子器件應(yīng)用會有潛在幫助。

參考文獻(xiàn)：“Emerging single-phase state in small manganite nanodisks” J. Shao et al, PNAS 2016, 113(33), 9228

■  元素有序(無序)摻雜對氧化物電子相分離影響 

低溫強磁力顯微鏡attoMFM

    在大部分的強關(guān)聯(lián)體系中，例如龐磁電阻材料與高溫超導(dǎo)材料中，化學(xué)摻雜對于其異物理性能有巨大的影響。而摻雜元素的有序無序?qū)τ谖锢硇再|(zhì)的影響是個由來已久的問題。

    Y. Zhu等人用attoMFM研究了有序摻雜Pr元素(MBE生長制備)的LPCMO膜與普通無序摻雜Pr元素LPCMO樣品的磁學(xué)成像性質(zhì)（圖1）。其中，正相位信號代表鐵電相而負(fù)相位信號代表反鐵磁有序電荷相。從磁學(xué)成像的結(jié)果可以直觀清晰的看到，鐵磁相在有序摻雜樣品中的區(qū)域尺寸（domain size）明顯小于無序摻雜樣品。該實驗結(jié)果表明有序摻雜Pr元素使得電子相分離尺寸明顯減小。通過分析電學(xué)輸運測量數(shù)據(jù)與理論模擬計算分析，由于金屬鐵磁相更具有主導(dǎo)地位，該有序摻雜的LPCMO材料比無序摻雜的材料的金屬緣體轉(zhuǎn)變問題高100度。

    作者指出，由于Ca元素?fù)诫s在該LPCMO超晶格材料中依然是無序的，化學(xué)摻雜是否*抑制LPCMO體系中金屬電子相是個值得繼續(xù)研究的課題。

參考文獻(xiàn)：Chemical ordering suppresses large-scale electronic phase separation in doped manganites. Y. Zhu et al, Nature Communications 2016, 7:11260

■  電流對氧化物薄膜鐵磁金屬疇邊界影響

低溫強磁力顯微鏡attoMFM

    鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物的物理性質(zhì)受到外在激勵例如磁場、電場、應(yīng)變、壓力、光照，電流的影響。之前研究表明，電流對于LPCMO體系樣品產(chǎn)生電阻大幅度下降與磁學(xué)微小變化的影響，然而該LPCMO樣品中上述實驗現(xiàn)象與龐電阻機(jī)制的直接證據(jù)需進(jìn)步探索。

    W. Wei等人用attoMFM顯微鏡研究了不同電流密度電流掃描對LPCMO樣品中鐵電金屬疇的影響。研究再次證明，電流確實對LPCMO體系樣品產(chǎn)生電阻大幅度下降與磁學(xué)微小變化的影響。另外，MFM磁力原子力顯微鏡磁學(xué)性質(zhì)成像(圖1)數(shù)據(jù)表明經(jīng)過電流掃描后樣品的鐵電金屬疇形貌基本保持不變，但是鐵電金屬疇的邊界（圖1中藍(lán)色橢圓區(qū)域內(nèi)）發(fā)生了明顯變化，該邊界的變化很可能是該材料中龐電致電阻機(jī)制的關(guān)鍵影響因素。

    作者指出，與之前學(xué)術(shù)界的猜想不同，電流不是影響樣品中鐵磁金屬相疇的整體形貌，電流只是改變了磁疇的外部個非常小個區(qū)域的形貌（整體形貌幾乎不變）。

參考文獻(xiàn)： Direct observation of current-induced conductive path in colossal-electroresistance manganite thin films. W. Wei et al, Physical Review B, 2016, 93, 035111

測試數(shù)據(jù)

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