过渡金属钙钛矿氧化物表现出丰富的物理性质，为凝聚态物理和材料科学的研究提供了一个广阔的舞台。简单钙钛矿具有ABO3构型，若将B位放入两种金属离子，则会衍生出B位有序钙钛矿A2BB'O6。在后者中，两种过渡金属离子间将产生B-B/B'-B'/B-B'等多重磁关联，他们间的竞争将诱发丰富磁电性能。如果同时将高、低轨道d电子的过渡金属元素填入B位，例如3d(B)-5d(B')的组合，由于同时具有强关联效应和强自旋轨道耦合，将诱发出多铁性，轨道有序，半金属性等诸多奇异的物理性质。
常规条件制备的钙钛矿材料由于容忍因子（t因子）的限制，决定了B-O-B'的键角总是接近180°，而这想要获得较强3d-5d磁关联，则需要较小的B-O-B'的键角。为了达到这一目的，需要A位放入小尺寸离子，这势必使容忍因子严重偏离理想值1，这样的结构难以用常规条件制备。高压是研制具备特殊性能新材料的重要技术手段，高压高温合成技术可以稳定钙钛矿中的结构畸变，拓宽容忍因子范围。同时高压在自然界广泛存在，研究高压新物态是认识自然界实体物质的重要前提。全球物理科学研究网/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件实验室EX5组靳常青团队长期开展类钙钛矿功能新材料的高压研制，通过高压技术创新，设计并研制发现了多种含有钙钛矿结构基元的量子功能新材料(Nature 375, 301(1995)；PRB 61, 778 (2000)；PNAS 105, 7115(2008)；；Chem. Mater. 30, 7047 (2018)；PNAS 116, 12156 (2019)；Angew. Chem. 59, 8240 (2020)；Nat. Commun. 12, 747 (2021)；Chem. Mater. 34, 97 (2022))。
近期，靳常青、邓正团队在高压合成的B位有序双钙钛矿结构功能材料研究上取得重要进展。磁交换偏执效应在自旋电子学领域有着广泛的应用，对一般的磁交换偏置材料而言，交换偏置场往往需要较大的冷却场（103高斯以上），这显然对实际应该非常不利。邓正副研究员与李文敏博士运用高压技术成功研制了B位有序双钙钛矿新材料Y2NiIrO6，该材料在192K发生亚铁磁转变，在170K以下表现出明显的磁交换偏置。低温下，仅需15高斯的冷却场（cooling field）就可以诱导1.1T的交换偏置场，如此低的冷却场在目前已知的材料中是非常罕见的。需要说明的是，这一交换偏置场是由磁滞回线在纵向上的移动（VMS效应）产生的，因此产生机制必然与传统的磁交换偏置效应不同。他们利用中子衍射和x射线磁圆二色（XMCD）确认了Ni2+-Ir4+磁矩的长程亚铁磁有序，XMCD进一步观察到Ir4+的强自旋轨道耦合及明确的轨道序。磁力显微镜（MFM）观察到磁畴奇异行为：施加较小的冷却场就可以显著改变磁畴的状态，但是低温下已经形成的磁畴在±3T的外磁场内均不发生明显改变，部分畴壁甚至在±7T的磁场变化中能够得以保持。正是这种被“钉”住的畴壁让磁滞回线在纵向上的产生移动。需要说明的是，Y2NiIrO6中的VMS效应并不能用小回线现象来解释：在略高的温度下，磁滞回线能够在±7T的磁场中饱和，但是仍然能够观察到明显的VMS及其诱发的交换偏置场。结合中子衍射精修得到的准确IrO6八面体构型，他们认为压缩的八面体使Ir的轨道磁矩更倾向于沿最短的Ir-O键长排列，这种晶格-轨道间的耦合由强自旋轨道耦合、Ir-Ni间的强反铁磁关联放大，最终产生了巨大的磁各向异性，导致了畴壁的钉扎。
具有极低冷却场及大交换偏置效应的Y2NiIrO6将能提高自旋阀这类关键自旋电子学器件的灵敏度和稳定性，同时由于其极高的磁畴灵敏度，也在低场探测领域有着巨大应用潜力。相关研究成果以“Giant Exchange Bias-Like Effect at Low Cooling Fields Induced by Pinned Magnetic Domains in Y2NiIrO6 Double Perovskite”为题，作为首页插图文章（frontispiece），于2023年4月26日在Advanced Materials上发表。本研究工作获得了美国Rutgers大学Greenblatt教授、德国马普所Z.W.Hu教授、研究网何伦华研究员、胡凤霞研究员、孙继荣研究员、张颖研究员、刘恩克研究员等多个团队的密切合作。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市科委和中科院青促会等项目的支持。
图1. 本工作被选为Advanced Materials首页插图文章
图2. Y2NiIrO6的晶体结构，磁化率-温度曲线以及磁结构
图3. 5K时不同冷却场中Y2NiIrO6的磁滞回线，以及VMS和交换偏执场与冷却场的对应曲线
图4. 零场冷后1.6K的温度下，Y2NiIrO6分别在0T，2.5T和7T的畴结构。绿色，蓝色，红色分别表示零磁，正磁矩和负磁矩
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209759