[论文解读] A Gate-tunable Polarized Phase of Two-Dimensional Electrons at the LaAlO3/SrTiO3 Interface

Arjun Joshua, Jonathan Ruhman+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2012

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 8

一句话总结

本研究通过面内磁阻和反常霍尔效应测量，在LaAlO3/SrTiO3界面的二维电子体系中揭示了一种植入门可调的自旋极化相。该研究发现，当磁场低于某一与载流子密度相关的临界值时，自旋极化和各向异性会突然消失，表明巡游电子与本征局域磁矩之间存在强烈且具有对称性依赖性的耦合。

ABSTRACT

Controlling the coupling between localized spins and itinerant electrons can lead to exotic magnetic states. A novel system featuring local magnetic moments and extended 2D electrons is the interface between LaAlO3 and SrTiO3. The magnetism of the interface, however, was observed to be insensitive to the presence of these electrons and is believed to arise solely from extrinsic sources like oxygen vacancies and strain. Here we show the existence of unconventional electronic phases in the LaAlO3/SrTiO3 system pointing to an underlying tunable coupling between itinerant electrons and localized moments. Using anisotropic magnetoresistance and anomalous Hall effect measurements in a unique in-plane configuration, we identify two distinct phases in the space of carrier density and magnetic field. At high densities and fields, the electronic system is strongly polarized and shows a response, which is highly anisotropic along the crystalline directions. Surprisingly, below a density-dependent critical field, the polarization and anisotropy vanish whereas the resistivity sharply rises. The unprecedented vanishing of the easy axes below a critical field is in sharp contrast with other coupled magnetic systems and indicates strong coupling with the moments that depends on the symmetry of the itinerant electrons. The observed interplay between the two phases indicates the nature of magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 interface as both having an intrinsic origin and being tunable.

研究动机与目标

• 探究LaAlO3/SrTiO3界面磁性的起源，特别是其是否源于本征或外在来源。
• 确定巡游电子与局域磁矩之间的相互作用是否可通过栅压实现电学调控。
• 探讨载流子密度和磁场在驱动具有各向异性输运性质的非传统电子相中的作用。
• 解决长期存在的争议：所观测到的磁性是否为本征的，还是源于氧空位等缺陷。
• 识别并表征一种新型相变，即在临界磁场以下，自旋极化和晶格各向异性会消失。

提出的方法

• 采用面内各向异性磁阻和反常霍尔效应测量，探测自旋极化和磁各向异性。
• 使用双栅场效应器件结构，实现二维电子密度的宽范围调控。
• 在平面内施加磁场，沿不同晶轴方向（x和y轴）探测响应。
• 在载流子密度与磁场的空间中绘制相图，以识别不同的电子相。
• 分析电阻率和霍尔响应对磁场与载流子密度的依赖关系，以检测自旋极化和对称性破缺的特征。
• 将实验结果与巡游电子与局域磁矩耦合的理论模型进行比较，推断磁性的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 LaAlO3/SrTiO3界面的磁性是否可通过栅压调控，表明巡游电子与局域磁矩之间存在可调控的耦合？
• RQ2 在临界磁场以下观测到的相变的本质是什么，为何自旋极化会突然消失？
• RQ3 输运性质中观测到的各向异性是否与SrTiO3衬底的晶格对称性相关？
• RQ4 在临界磁场以下，自旋极化和各向异性被抑制，是否指向巡游电子与局域磁矩之间存在强烈且具有对称性依赖性的耦合？
• RQ5 所观测到的行为是否可由本征磁矩解释，而非由氧空位等外在缺陷引起？

主要发现

• 在高载流子密度和高磁场条件下，识别出一种门控可调的强自旋极化相，其在晶轴方向表现出显著各向异性。
• 当磁场低于与载流子密度相关的临界值时，自旋极化和各向异性会突然消失，尽管电阻率急剧上升。
• 在临界磁场以下，易轴消失的现象前所未有，表明巡游电子与局域磁矩之间存在强烈且具有对称性依赖性的耦合。
• 所观测行为与氧空位或应变等外在起源不一致，表明磁性源于本征磁性。
• 该相变对载流子密度和磁场均高度敏感，表明存在一种可调控的电子相，具有涌现的磁序。
• 结果表明，LaAlO3/SrTiO3界面的磁性不仅具有本征性，还可通过静电栅压调控，为自旋电子学应用开辟新途径。