強磁場下關聯電子晶體研究取得進展

中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心盛志高、陸輕鈾合作團隊依託超導SM2組合顯微測試系統，在氧化物關聯電子晶體研究中取得進展，工作發表在期刊ACS Appl. Mater. Interfaces10, 23, 20136(2018)上。

固態物質既有玻璃態又有晶體態。玻璃態是無序的，長程有序化就成了晶體態，這些態除了原子組成的晶格態，還有電子-電子、電子-晶格作用形成的電子態。而且，電子的電荷、自旋和軌道三種自由度能夠各自或同時形成物態。和晶格一樣，電子多重自由度的短程有序可以形成電子玻璃態，而長程有序則能形成晶體態，也就是電子晶體。原子晶體以及個別電子相單晶已經被廣泛研究，有宏觀的，也有微觀層面的。而對於有些電子單晶以及多重量子序電子單晶，則研究較少。由於測量參數的缺失與實驗條件的限制，從微觀層面上探索電子序單晶尤其是多重量子序電子單晶十分困難，儘管他們對於深入理解量子序及其物性有著重要意義。

強磁場中心盛志高低維材料磁光團隊與日本理化學研究所、美國斯坦福大學合作，於2015年首次從實空間角度，實時觀察到了關聯電子薄膜中的電子玻璃態，不僅驗證了其中的弛豫行為、冷卻過程依賴特性，而且從圖像及數值上揭示了電子玻璃態的各態遍歷機制（Phys. Rev. Lett.115, 265701 (2015)）。在此工作基礎上，團隊與強磁場中心陸輕鈾掃描探針顯微團隊緊密合作，聯合日本理化學研究所、中科院固體所、東南大學等相關課題組，經過多維度調控，在錳氧化物薄膜中實現了第一個高溫的關聯電子晶體（區別於極低溫下的Wigner晶體）；並採用強磁場中心自主研製的20T強磁場磁力顯微鏡，在實空間中直接觀察到了多重量子序電子單晶及其動力學行為，包括電子單晶的形核、生長、弛豫、融化等過程。這一結果不僅為人們深入理解電子相中多種自由度的耦合與競爭提供了實驗基礎，而且為人們從微觀角度認識和操控電子相，尤其是多重電子相提供了機遇。

該工作得到國家重點研發專項、國家自然科學基金委、中科院大科學中心項目資助。

關聯電子晶體在強磁場下的磁力顯微圖像（左）與對應的電子態示意圖（右），其中，電子晶體的邊界方向與電子的多自由度共同程序的方向高度吻合。

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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