近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心田明亮课题组博士刘艳在副研究员杨继勇的指导下采用机械剥离单晶的办法，结合电子束曝光和微纳加工技术，制备了一系列具有纳米尺度且厚度不同的高质量Sr4Ru3O10单晶薄片，通过磁输运测量系统研究了其各向异性磁阻特性。
含有4d电子的钙钛矿钌氧化物Srn+1RunO3n+1(n=1, 2, 3,∞)体系材料因存在多种自由度，包括电荷、自旋、晶格以及轨道间的复杂相互作用，蕴含着丰富的物理现象，如自旋三重态配对的超导电性、非朗道费米液体行为、磁场诱导的量子临界等，是凝聚态物理研究电子关联的模型材料。Sr4Ru3O10是Srn+1RunO3n+1体系中具有代表性的材料之一，该材料在TC=105 K处会发生铁磁转变，在TM～50–70 K处发生第二个磁转变并伴随在ab平面内的变磁转变（metamagnetic transition）。虽然该材料已经被研究了二十多年，但关于第二个磁转变的机理以及与变磁转变的关系一直不清楚。
研究团队通过实验发现：纳米薄片的第一个磁转变温度不随厚度变化，而第二个磁转变温度TM会随着样品厚度的减薄而降低，且其各向异性磁阻总是会在TM处发生正负反转，如图所示。即当外加磁场方向沿着c轴（或平行ab-面）时，在TMC，其磁阻信号为正（或负），而在TM，其磁阻信号为负（或正）。这一结果充分表明纳米薄片中的磁矩随着温度的降低在TM处发生了从ab面到c方向的翻转。
进一步研究发现，引起纳米薄片中自旋发生翻转的原因是形状各向异性与磁晶各向异性的竞争，其中形状各向异性有利于自旋在ab面呈铁磁排列，而磁晶各向异性有利于自旋沿c方向铁磁排列，但其严重地受到c方向晶格长度的调制。因Sr4Ru3O10中c轴的晶格常数在~70K以下存在负热膨胀，这导致低温下磁晶各向异性能增强，最终在TM处完全克服形状各向异性从而使得自旋发生翻转。样品越薄其形状各向异性越强，这也是为什么TM会随着厚度降低而降低。
这些结果说明Sr4Ru3O10中TM处的第二个磁转变并不是一个真正的热力学相变，只是在该温度处因晶格自由度的驱动，其自旋发生了重取向。相关工作以Magnetic reversal in Sr4Ru3O10 nanosheets probed by anisotropic magnetoresistance 为题发表在美国《物理评论B》(Physical Review B)上。
该工作所用单晶由Colorado大学教授曹钢提供。项目实施过程中得到了国家自然科学基金委、国际创新团队以及合肥大科学中心等的支持。
图：Sr4Ru3O10纳米薄片(d=260nm)在不同温度下的磁阻。(a) H//ab; (b) H//c。
