功能材料的物理性质与外界刺激、微结构变形高度相关。实现功能材料应力/应变分布的精确表征，是揭示物性、外场和微结构相互作用机制的关键。二氧化钒（VO₂）作为一种典型的强关联功能材料，体现出近常温的金属-绝缘体相变特性。凭借其卓越的物理特性和高环境敏感性，VO₂在传感器、执行器、智能窗以及突触电子学等多个领域展现出了巨大的应用潜力。其金属-绝缘体相变和铁弹性畴切换，与裂纹孔洞缺陷及材料局部应变分布高度相关。揭示局部应力/应变对金属-绝缘体相变的作用提高VO₂调控的精确性，解耦缺陷等微结构对相变的影响提高VO₂材料和器件的可靠性，都需要我们能够实现VO₂高空间分辨和高应变测量精度分辨的应变应力表征。 拉曼光谱技术因其具有快速、无损、高分辨率的优势，被广泛用于表征局部晶格变形、应力/应变分布、相/畴变等。但VO₂作为一种光热外场敏感的材料，拉曼光谱技测试中的激光辐照会在VO₂中不可避免地会引入光、热、应变等干扰。VO₂的多种物理性质与外界刺激之间的相关性尚不清楚，使得拉曼光谱难以准确反映其内在微观结构和应变分布。低功率的激光辐照会导致拉曼测量的信噪比降低，影响测量精度；而高功率的激光辐照则会引起拉曼峰漂移，使得测量结果不准确。开发一种基于拉曼光谱的新方法，解决拉曼对功能材料测量精度和准确性之间的矛盾，解耦VO₂的物理性质与外部刺激的相关性，实现微观结构和应变分布的高空间分辨和高精度应变表征，仍是亟待解决的难题。 针对上述问题，本实验室科研团队结合拉曼光谱技术和有限元模拟，发现了激光辐照下单斜相VO₂拉曼频移与激光功率的线性关系，并揭示了该线性关系来源于光热应变。通过线性拟合和外推，提出了一种应变分辨率低至十微应变（~10με，即10-5）和空间分辨率为亚微米（~200nm）的高精度应变分布拉曼表征新方法。相关成果以“Linear Interplay Between Raman Shift and Laser Irradiation in Photothermal-Strained Monoclinic Vanadium Dioxide”为题在线发表在微纳米物理力学领域国际知名期刊Small上，该工作被邀请为期刊封面文章（图1）。图1 文章选为Small期刊封面图片。研究成果发展的功能薄膜拉曼应变分布表征新方法，实现十微应变精度亚微米的应变分布表征，可精确识别VO₂纳米片两个铁弹性畴的错配应变，就如同孙悟空的“火眼金睛”，可以看破伪装和幻象，揭示微观真相。 本实验室科研团队首先探究了不同激光功率对无应变单畴VO₂拉曼测试的影响（图2a）。实验结果表明，随着激光功率的增加，VO₂拉曼峰的波数线性减小，且标准差显著减小。绘制VO₂拉曼峰的偏移量与激光功率的关系，通过线性拟合和外推，可获得无激光辐照无应变的本征拉曼峰（图2b）。基于这条无应变线性标准曲线，研究团队提出了一种基于共聚焦拉曼技术的高精度应变分布表征新方法。测量局部拉曼位移，与标准线性曲线进行比较，可以获得除去光热应变后的实际应变。通过实验中拉曼频移曲线的斜率和标准差可确定应变测量精度可达到17 με。该方法的应变和空间分辨率分别低至十微应变和亚微米，可以无损和非接触地在纳米尺度精确表征光热敏感材料VO₂在相变、薄膜转移和畴切换过程中的应变分布。通过所提出的应变表征新方法，科研团队清晰地表征成像了VO₂纳米片两个铁弹性畴之间由于畴错配导致的极低水平应变（~1‰）（图2c）。图2 VO₂纳米片应变分布的高精度拉曼表征方法。a. 拉曼测试的实验示意图。插图为VO₂纳米片的偏光显微镜图像，图中指明了VO₂的晶体取向和拉曼激光。b. VO₂纳米片的拉曼频移随激光功率变化的曲线。虚线为拉曼位移与激光功率之间的线性拟合线。c. 用文章所提出的新方法测量的VO₂畴壁两侧的错配应变。(b)中的紫色和绿色数据点是分别从(c)中紫色和绿色点标记的地点测量到的拉曼频移。 为了揭示激光辐照诱导VO₂拉曼峰线性偏移的内在机制，本实验室科研团队在不同激光辐照功率、不同衬底和不同温度条件下对无应变的单畴VO₂纳米片进行了拉曼测试（图3a），并基于光热应变机制假设，通过有限元模拟分析VO₂纳米片激光辐照下的应变水平和分布（图3b和图3c）。实验发现，激光辐照功率与拉曼位移偏移量呈线性关系，其中斜率取决于衬底的导热系数，截距取决于VO₂纳米片的温度。当改变衬底类型时，衬底导热系数越高，线性关系的斜率越陡，并且所有线性关系的外推值都收敛于零激光功率下相同的本征拉曼峰值处（图3d）。当改变衬底温度时，频移曲线则遵循相同斜率的线性关系，VO₂纳米片的温度越低，导致本征拉曼峰的外推截距越大（图3e）。基于光热机制假设，有限元模拟计算了不同激光辐照功率、不同衬底和不同温度下VO₂应变分布。有限元结果体现出与拉曼实验结果类似的线性关系。应变结果在外推到零激光功率处时，不同基底的应变曲线呈线性收敛；不同温度下的线性应变曲线斜率相同（图3f和3g）。模拟得到的应变曲线与拉曼实验中的频移曲线具有相同的特征，通过相互验证揭示了拉曼位移与激光照射的线性关系来源于单斜相VO₂的光热应变。图3 激光辐照下VO₂纳米片光热应变的有限元模拟。a. 有限元模型示意图。b. 当温度为25 ℃和激光辐照强度为0.8 mW时，转移到PDMS的VO₂纳米片的应变 分布。c.激光功率从0到0.8 mW变化时，光斑附近的应变分布。直径为1微米的白色虚线圈表示激光光斑的区域。d,e. VO₂纳米片在不同衬底(d)和不同温度(e)下的拉曼频移。f,g. 在不同衬底(f)和不同温度(g)下，VO₂纳米片体积应变随激光功率的变化。 综上所述，本研究成果结合微拉曼光谱和有限元方法，发现了无应变单斜相VO₂中拉曼峰频移与激光辐照之间的线性关系，揭示了基于激光辐照引起光热应变的拉曼峰线性漂移机制。通过对标准曲线的线性拟合和外推，得到VO₂拉曼峰漂移的应变依赖系数、无应变、无激光辐照的本征拉曼模和可用于不同激光功率下精确应变测量的无应变标准直线。研究团队发展出一种基于拉曼的高精度应变分布表征新方法，应变分辨率和空间分辨率分别达到十微应变（~10με）和亚微米（~200nm）。该拉曼应变分布表征方法排除了光敏感功能材料VO₂在实验测量时受激光辐照的影响，且可以推广到其他对多种外部刺激敏感且多种物理性质耦合的功能材料。这一研究成果不仅揭示了功能材料多种物理性质耦合与外部刺激相关性的基本作用机制，而且发展了功能材料的微结构和应变分布的精确表征方法。 该研究成果由中山大学独立完成，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室博士研究生李迎波为论文第一作者。该研究依托广东省磁电物性分析与器件重点实验室及广东省磁电物性基础学科研究中心平台支持开展实验和模拟工作，得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家重大科研仪器研制项目、中央高校基本科研业务费专项资金的资助，国家超级计算广州中心为该研究工作提供高性能计算资源。论文信息：Yingbo Li, He Jiang, Yanqing Zhang, Linjie Liu, Haohua Wen, Yue Zheng, Wenpeng Zhu*. Linear Interplay Between Raman Shift and Laser Irradiation in Photothermal-Strained Monoclinic Vanadium Dioxide. Small, (online: 01 December 2024) doi.org/10.1002/smll.202407777原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202407777

中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室的姚道新教授最近在Science Bulletin 期刊上发表了题为“Einstein-de Haas effect: a bridge linking mechanics, magnetism, and topology”的展望论文。文章系统介绍了爱因斯坦-德哈斯效应的最新研究进展，涵盖了电子与晶格之间角动量转移的微观机制，爱因斯坦-德哈斯效应在拓扑系统中的体现，以及手征选择性磁-声耦合等重要内容。图1 爱因斯坦德-哈斯效应。（a）实验装置；（b）理论机制。 爱因斯坦-德哈斯效应是指由磁化诱导的机械旋转现象。如图1(a)所示，一个圆柱形的铁磁体通过细线悬挂，并在其表面缠绕导线；当电流通过导线时，铁磁体发生旋转。该效应在一个多世纪前便已成功实现。然而，随着自旋电子学及磁子学的迅速发展，这一“百年老树”不断焕发新芽，为科研工作者带来了丰富的惊喜与启示。首先是电子与晶格之间的角动量转移机制。在早期，科学家主要聚焦于爱因斯坦德-哈斯效应的实验实现，对其微观机制的探索则多停留在唯象理论层面。伴随着超快退磁技术的进步，探测晶格动力学和退磁的手段日益精进，近年来对爱因斯坦德-哈斯效应起源的认识取得了显著进展，电子轨道、自旋和晶格等自由度之间的角动量转移变得愈发清晰。在这一研究过程中，手性声子和声子磁矩等新概念被提出，不仅将声子角动量引入爱因斯坦-德哈斯效应的研究范畴，还揭示了声-磁耦合的手征选择性和非对易性等重要特性。这些发现为谷电子学（特别是电子谷内和谷间散射）以及声子热霍尔效应的理论研究提供了新的思路。另一方面,这些进展对基于磁力耦合的功能型传感器、存储器件、新型材料设计以及量子信息处理等应用也具有重要意义。图2 爱因斯坦-德哈斯效应联系起磁学、拓扑、力学。(a) 超快退磁过程；（b）声子热霍尔效应；（c）声子磁矩；（d）手性声子。 与此同时，在凝聚态物理学的“新宠”—拓扑物态领域，爱因斯坦-德哈斯效应也开始展现其价值。对于拓扑磁子系统，贝利曲率可以赋予磁子额外的“轨道角动量”，与固有的自旋角动量相结合，使得系统能够自主实现该效应。目前，关于拓扑磁子爱因斯坦-德哈斯效应的实验尚待实现。值得注意的是，在拓扑磁性材料中，拓扑角动量和机械角动量均对该效应产生贡献，因此开发区分和量化这两种角动量贡献的实验技术是当前研究的重点。除了动量空间中的拓扑系统，实空间中的斯格明子系统也是实现爱因斯坦-德哈斯效应的良好载体。通过角动量转移的力学手段，可以有效调控斯格明子的大小、形变及输运特性。由此，爱因斯坦-德哈斯效应这一基础而深刻的概念，将磁学、拓扑、力学紧密交织，构建了蕴含研究潜力的交叉网络。图3 拓扑磁子的爱因斯坦-德哈斯效应。（a）理论机制；（b）实验构想；（c）斯格明子系统。 值得一提的是，爱因斯坦-德哈斯效应不仅在物理领域影响深远，其研究意义还延伸至生物学、医学等多个学科。最新研究表明，某些生物体（例如一些鸟类和昆虫）可能依赖于原子级别的磁性相互作用进行导航，这与爱因斯坦-德哈斯效应的基本原理存在直接的关联。科学家们正致力于揭示这些磁感应现象背后的生物物理机制。另外，该效应的实验体系正逐步从宏观层面过渡到微观层面，甚至包括纳米尺度及分子尺度的研究。这种对微观磁体系的探索，能够在一定程度上促进磁性纳米颗粒在医学领域的应用，比如磁性分离、磁性转染、磁性药物靶向、肿瘤磁热疗、核磁共振成像等。图4 爱因斯坦-德哈斯效应在生物、医学中的应用。（a）磁感现象中的MagRs机制；（b）肿瘤磁热疗；（c）磁性转染。 研究成果于近期发表在Science Bulletin（DOI: 10.1016/j.scib.2024.12.006）。中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室博士研究生聂新为论文的第一作者，中山大学姚道新教授为通讯作者。 上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划领军人才项目等的资助。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324008892

自从上世纪80年代发现铜氧化物高温超导体以来，高温超导研究一直是凝聚态物理领域的重要前沿。探索新型高温超导体对于研究高温超导机制及其应用至关重要。具有与铜氧化物高温超导体类似晶体结构和电子构型的镍氧化物，被认为是潜在的高温超导体。2023年,本实验室王猛教授研究团队和合作者在双层镍氧化物La3Ni2O7单晶样品中14 GPa压力下发现80 K的超导电性[Nature 621,493(2023)]。随后，王猛团队及合作者在实验上对La3Ni2O7体系的超导电性[Nat. Phys. 20,1269(2024); Chin. Phys. Lett. 40,117302(2023)]、化学组分[Nature 630,847(2024)]、超导态的晶格结构[J. Am. Chem. Soc. 146,7506(2024)]、电子结构[Nat. Commu. 15,4373(2024)]、电子关联强度[Nat. Commu. 15,7570(2024)]、磁激发谱和磁性交换关联强度[Sci. Bull. 69,3221(2024); Nat. Commu. 15,9597(2024)]、超快动力学性质[Nat. Commu. 15,10408(2024)]、隧道谱学[Phys. Rev. B 110,134520(2024)]等性质进行了系统研究，掀起了镍氧化物高温超导研究的热潮。 La3Ni2O7超导电性被发现后，国内外多个研究团队报道了在La4Ni3O10样品中发现压力诱导的超导电性。然而，镍氧化物体材料的超导研究局限于La-Ni-O材料体系及其掺杂样品。图：Pr4Ni3O10-δ磁性、比热、结构及压力下的电输运测量结果。(a)常压下磁化率;(b)比热及电阻率观察到两个密度波转变；(c) 随压力增加，结构从单斜相向四方相转变；(d)压力增加使电阻减小并出现超导转变；(e)超导转变温度存在磁场依赖；(f)超导电性上临界场拟合；(g) 密度波序与超导电性在压力下的相图。 最近，本实验室王猛团队首次在Pr4Ni3O10-δ多晶样品中发现压力下近30 K的超导电性。该研究利用溶胶凝胶法合成出了Pr4Ni3O10多晶样品，利用金刚石对顶砧技术对样品进行了不同压力下的结构和电输运研究。不同于La-Ni-O体系，Pr4Ni3O10-δ中Ni 和 Pr子晶格分别在157.6 和 4.3 K形成密度波序。晶体结构在20 GPa压力附近从P21/a单斜相转变成I4/mmm四方相。结构相变后低温下电阻出现迅速减小并且转变温度存在明显的磁场依赖，预示着Pr4Ni3O10-δ存在超导电性。在54.1 GPa压力下超导转变温度达到30 K，拟合的上临界场为29.8 T。Pr4Ni3O10超导电性的发现拓宽了镍氧化物超导体家族，为镍氧化物的超导机制研究提供了新的平台。该成果近期以“Signature of Superconductivity in Pressurized Trilayer-nickelate Pr4Ni3O10-δ”为题，在中国物理评论快报发表[Chin. Phys. Lett. 41,127403 (2024)]。 该工作由本实验室王猛教授和理学院孙华蕾副教授指导学生完成。物理学院博士研究生黄星、张恒源、李婧嫄、陈俊峰、邱钲阳、马培跃、黄潮欣和博士后霍梦五参加了相关研究工作。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划基础与应用基础研究专题、深圳市科技计划支持，同时得到了广东省磁电物性分析与器件重点实验室和广东省磁电物性基础学科研究中心支持。原文链接：https://cpl.iphy.ac.cn/article/10.1088/0256-307X/41/12/127403