近日，中国科学院合肥物质院强磁场中心低功耗量子材料研究团队郝林研究员与中国科学技术大学陈凯、朱弘教授等人合作，利用稳态强磁场实验装置（SHMFF）所属水冷磁体WM5并结合晶体和电子结构表征，在铱氧化物/锰氧化物强关联异质结中实现原胞级可控的绝缘体-金属转变。相关研究成果发表在期刊Nature Communications上。
绝缘型异质结中的导电界面，如PN结，是现代电子产业的核心。这一类绝缘型异质结至少包含一种能带绝缘体，如SrTiO3和KTaO3。与能带绝缘体相比，关联绝缘体通常具有更为丰富的相图，是实现绝缘体-金属转变的良好介质。然而，在完全由关联绝缘体组成的绝缘型异质结中，目前鲜有导电界面的报道。为实现这一目标，一个直观的思路是选择具有稳固金属性基态但可被调控至绝缘态的电子关联体系来构造异质结。而Dirac型semi-metal CaIrO3 (CIO)和half-metal La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO)正是达成此次设计的理想材料。更重要的是，以往的铱氧化物/锰氧化物异质结研究中已经坐实5d/3d界面的强电荷转移效应，这有利于促进异质结的电子态转变。
基于以上考虑，郝林课题组利用激光分子束外延技术合成了一系列的nCIO/mLSMO（n和m分别代表CIO和LSMO的原胞层数）异质结。在强烈拉伸应变的作用下，单独的CIO和LSMO分别被驱动至绝缘态，然而异质结却表现出随CIO层数可变的电输运行为。更为有趣的是，异质结具有截然不同于单组份材料的超高饱和场。例如，水冷磁体WM5的电输运测量结果表明，3CIO/20LSMO异质结在20 K时的饱和场甚至已经大于30 T（图a）。输运行为的巨大差异暗示异质结可能存在电子相分离，高磁场的施加使得分离的金属团簇得以汇聚，导致样品整体导电性能的提高。强磁场的电输运结果也意味着异质结中的绝缘体-金属转变有可能来自于界面电荷转移下的渗流效应。为验证这一思路，研究人员进一步调控电子关联强度，并最终在nCIO/35LSMO的异质结体系中，实现单原胞层可控的绝缘体-金属转变。这一工作表明全关联绝缘体的异质结不仅是探索新奇物理现象的沃土，在开发精密型电子器件方面也有巨大潜力。
强磁场中心博士生门恩阳为论文第一作者，中国科学技术大学陈凯、朱弘和强磁场中心郝林为共同通讯作者。强磁场中心王钊胜、郗传英为本文的高场测试提供指导与帮助。该项研究获得了中国科学院建制化科研平台等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52616-8
图：(a) LSMO-LSAT薄膜和3CIO/20LSMO异质结在不同温度下磁阻的面内磁场依赖关系；(b) 异质结绝缘性随CIO层数和面内晶格常数a的变化关系。虚线代表绝缘体-金属转变发生位置。
