调控 RVO$_3$ 薄膜中非共轴磁性和 3d $-$ 4f 交换相互作用

在正交形 perovskite 薄膜( RMO$_3$) 中, 用 R$^{3+}$ 稀土阳离子取代调节了中心 M$^{3+}$ 过渡金属离子的自旋、轨道和电荷自由度, 通过晶格畸变。这些变形也会影响 R$^{3+}$ 周围的环境。当 R$^{3+}$ 和 M$^{3+}$ 都具有磁性时, 现象如自旋重新取向和磁化翻转都可以发生。事实上, M-$3d$ 自旋与 R-$4f$ 磁矩之间的交换相互作用丰富了 RMO$_3$ 的多功能特性, 尤其是当结合结构畸变时。它们在实现具有非共轴磁序的稳健磁电性能方面发挥着关键作用。本文探讨了 epitaxial PrVO$_3$ 薄膜中的交换耦合, 定性探针了阳离子亚晶体的磁性, 并发现 V$^{3+}$ $3d$ 自旋重新取向和 Pr$^{3+}$ $4f$ 磁化翻转。通过应变工程, 我们人为操纵晶格畸变以阐明其在 $3d$ 自旋和 $4f$ 磁矩耦合中的作用。理论计算表明, 八面体旋转和 Jahn-Teller 畸变作为调节机制, 可促进轨道秩序和自旋秩序之间的竞争。观察到的磁性离子与晶格畸变之间的耦合可推广至其他正交形 RMO$_3$ 系统, 为理解在人造 perovskite 异结构和超晶体中控制自旋提供了新的视角。