Npj Comput. Mater.: 超晶格内层中的铁磁性，你测到过吗？

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由于分子束外延和脉冲激光沉积的不断进步，钙钛矿一直是科学界持续关注的材料对象。过去的几年中，缺陷工程的进展进一步引起了人们对钙钛矿的关注，提高了其实际应用的前景。尽管钙钛矿块材简单，但受不同自由度的强相互作用影响，材料表现出多种基态。钙钛矿材料界面处的对称性破缺更导致了奇特的现象，如平带、磁各向异性、电子量子限制、拓扑保护的边缘态等。一个典型的钙钛矿材料是混合价态的锰酸盐，人们对其界/表面进行了大量研究，其超晶格更表现出了非平庸的现象，且有序的异价离子不会阻止大磁阻的出现。(LaMnO₃)n∣(SrMnO₃)m 超晶格是一个被广泛研究的系统，人们在其金属-绝缘体相变过程中获得各种磁性和电子基态。并且，当(LaMnO₃)_n∣(SrMnO₃)_m超晶格从(001)取向到(111)取向时，可能会出现更多奇异的现象，如拓扑态。因此，尽管(111)取向的(LaMnO₃)_n∣(SrMnO₃)_m超晶格缺乏合适的衬底、热力学稳定性较差，但仍然是重要研究对象。

来自江原国立大学的Fabrizio Cossu等，使用DFT+U∣J方法，研究了(111)取向(LaMnO₃)₁₂∣(SrMnO₃)₆超晶格的电子结构和磁性性质。该超晶格具有半金属铁磁基态，这种特征持续存在于超晶格的最内层。与(001)取向的超晶格完全不同，这归因于界面电荷转移、应变、结构扭曲和电子关联之间的协作左右。研究显示，该超晶格结构的磁性源自Mn原子之间的双交换相互作用，并且存在于LaMnO₃区域内而不是界面处。此外，原子体积、电荷和磁矩在整个超晶格中相互关联。特别是在LaMnO₃区域，相邻位置显示出电荷、自旋和体积振荡。研究结果还表明，与超晶格形成相关的[111]外延应变，是设计类似La_2/3Sr_1/3MnO₃系统的可行途径，且不用引入掺杂诱导的无序。这不仅有利于避免与合金相关的问题，如阳离子无序，还拓宽了氧化物异质结构中界面工程的潜力。该工作为具有奇异磁性相和拓扑态的异质结构的进一步发展提供了理论基础。

该文近期发表于npj Computational Materials 8：77 (2022)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Persistent half-metallic ferromagnetism in a (111)-oriented manganite superlattice  

Fabrizio Cossu, Heung-Sik Kim

We employ electronic structure calculations to show that a (111)-oriented (LaMnO3)12∣(SrMnO3)6 superlattice retains a half-metallic ferromagnetic character despite its large thickness. We link this behaviour to the strain and the octahedral connectivity between the layers. This also gives rise to breathing modes, which are coupled to charge and spin oscillations, whose components have a pure eg character. Most interestingly, the magnetisation reaches its maximum value inside the LaMnO3 region and not at the interface, which is fundamentally different from what observed for the (001) orientation. The inter-atomic exchange coupling shows that the magnetic order arises from the double-exchange mechanism, despite competing interactions inside the SrMnO3 region. Finally, the van Vleck distortions and the spin oscillations are crucially affected by the variation of Hund’s exchange and charge doping, which allows us to speculate that our system behaves as a Hund’s metal, creating an interesting connection between manganites and nickelates.

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