仪器情报，科学家利用先进设备揭示超晶格材料中的磁性现象！

【科学背景】

随着纳米技术的进步，磁性薄膜的研究成为了一个长期关注的课题。这些薄膜的厚度在纳米尺度，显示出了与其厚度密切相关的独特磁性特性。临界行为理论预言，随着薄膜厚度的减小，磁相变温度会显著降低，这在多个研究案例中得到了观察。特别地，在二维极限下，Mermin和Wagner提出了在有连续旋转对称性的模型（如Heisenberg或XY自旋哈密顿量）中，长波长波动会在有限温度下完全抑制长程磁序的理论。然而，这一预测严格适用于热力学极限，即无限大侧向尺寸的样品。对于有限尺寸的实验室样品，这一预测的适用性则引起了广泛的讨论。

近年来，磁性van der Waals材料的发现为研究厚度达到单层的磁性材料提供了新的平台。例如，对于反铁磁NiPS3材料的研究表明，当其厚度为两层或更多时，反铁磁序在单层样品中则被抑制，这与Mermin-Wagner定理的预测一致。然而，由于单层样品的侧向尺寸较小，磁性的直接探测成为了一个挑战，通常通过间接方法如Raman光谱学来实现。

为了深入理解在超薄膜中的磁性行为，马萨里克大学科M. Kiaba教授团队选取了反铁磁LaFeO3和非磁性SrTiO3层构成的超晶格作为研究对象，这些材料可以通过先进的沉积技术精确控制其结构。LaFeO3作为典型的钙钛矿反铁磁绝缘体，在室温下具有稳定的反铁磁序，这使其成为理想的研究对象。作者利用了脉冲激光沉积技术制备了具有1-3单层LaFeO3和5单层SrTiO3的超晶格样品，并通过低能缪子自旋转动光谱学进行了详尽的磁性研究。

实验结果首次展示了在超薄LaFeO3层的不同厚度下，其磁性质的显著变化。具体地，作者观察到当LaFeO3层厚度为三个或两个单层时，其电子磁矩表现出静态的反铁磁序。相反地，在单层LaFeO3样品中，磁矩没有长程有序，符合Mermin-Wagner定理的预期。这些发现不仅深化了作者对超薄膜中磁性行为的理解，还为调控这些材料的磁性特性提供了新的视角和方法。

【科学亮点】

（1）实验首次探索了在超薄LaFeO3/SrTiO3超晶格中的磁性特性，利用了低能缪子自旋转动光谱学作为敏感的磁性探针。

（2）实验结果如下：

•制备了具有1-3单层LaFeO3和5单层SrTiO3的超晶格，侧向尺寸为10×10 mm²，并且展示了高结构质量和界面锐利度。

•通过X射线衍射谱确认了超晶格的完整性和结构特征，验证了层间扩散水平极低。

•使用低能缪子自旋转动光谱学成功测量了超薄LaFeO3层的磁性行为，表明在具有3和2层LaFeO3的超晶格中，铁电子磁矩表现出静态的反铁磁序。

•对单层LaFeO3超晶格的研究显示，磁矩不会有序，而是在最低测量温度下符合Mermin-Wagner定理的预期，表现出波动行为。

【科学图文】

图1. 超晶格的结构表征。

图2. 零场缪子自旋转动。

图3. 磁体积分数和Néel温度。

图4. 静态和动态磁性的区分。

【科学结论】

总之，缪子自旋转动数据在零场、横场和纵场中一致显示出以下结果：(i) m = 3 和 m = 2 超晶格表现出长程反铁磁序，其Néel温度分别为175 K 和 35 K；(ii) m = 1 超晶格的磁性质与之有显著区别，没有长程序，直至最低测量温度5 K；(iii) 在这个温度下，电子磁矩表现出波动而非静态无序。这些发现指向了一个维度磁性的交叉点，对于单层铁氧化物的超晶格，由于长波长自旋波动的增强，静态反铁磁序被消失，符合Mermin-Wagner定理的预期。然而，需要注意的是，作者的结果并不完全与Jenkins等人的工作11存在显著分歧，他们预测在二维有限尺寸的实验室样品中磁序的稳定，因为 (i) 他们的计算是针对比作者样品小四个数量级的系统进行的，而 (ii) 作者的m = 1 超晶格在当前低能缪子自旋转动仪器中可以达到的最低温度为5 K，存在在更低温度下可能存在静态序的可能性。

参考文献，Kiaba, M., Suter, A., Salman, Z. et al. Observation of Mermin-Wagner behavior in LaFeO3/SrTiO3 superlattices. Nat Commun 15, 5313 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49518-0.