在La0.5Sr0.5Co0.85Nb0.15O3材料中观察到了巨大的负交换偏压效应

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Observation of giant negative exchange bias effect in La 0.5Sr 0.5Co 0.85Nb 0.15O3

La0.5Sr0.5Co0.85Nb0.15O3表现出2 K下-14.1 kOe的巨负交换偏置，磁记忆效应和动力学测量证实低温存在类玻璃磁有序，特征自旋弛豫时间标度τ0=8.4×10?10 s。分析表明AFM/FM异质结构中的负界面交换耦合（-10.24 meV和-12.55 meV）主导了EB行为，高冷却场下EB参数反常下降而非饱和，揭示了CSG体系中冻结自旋与可旋转自旋的缓慢弛豫机制。

　　这项研究聚焦于一种新型的磁性材料——簇状自旋玻璃（Cluster Spin-Glass, CSG）La?.?Sr?.?Co?.??Nb?.??O?。通过实验与理论分析，研究人员揭示了该材料在低温下表现出显著的负交换偏置（Exchange Bias, EB）现象，并进一步探讨了其磁性行为的机制。这项发现不仅对理解自旋玻璃中的交换偏置提供了新的视角，也为未来在磁存储、自旋阀、高密度磁记录、磁记忆设备等领域的材料设计提供了重要的理论依据。

交换偏置是一种在磁性材料中观察到的现象，通常发生在磁性层与反铁磁层之间。当样品在外部磁场下冷却时，其磁化曲线会表现出偏移，这种偏移来源于界面处的交换耦合。在传统的磁性材料中，这种偏置通常随着外部磁场的增加而趋于饱和，但在这项研究中，研究人员发现了一个异常的现象：在冷却磁场为50 kOe的情况下，交换偏置的值达到了–14.1 kOe，且随着测量磁场的增加，交换偏置参数表现出下降趋势，而非预期的饱和。这种非传统的行为表明，材料内部的磁性结构具有高度的复杂性，特别是其在低温下的玻璃态磁性特征。

为了深入理解这种现象，研究人员采用了多种实验手段，包括磁记忆效应、老化测量、非线性比热容分析以及交流磁化率测量。这些实验结果显示，材料在低温下（低于约58 K）表现出明显的玻璃态磁性特征，这与自旋玻璃的典型行为一致。此外，通过分析磁性训练效应，研究人员发现，该材料中的自旋玻璃行为主要来源于界面处的磁性相互作用，其中反铁磁（AFM）和铁磁（FM）区域之间的相互作用是关键因素。这种相互作用在高温下表现为动态变化，而在低温下则趋于冻结，从而导致磁性行为的显著变化。

在磁性材料中，交换偏置的大小通常与界面处的磁性耦合强度有关。然而，这项研究发现，材料中的交换偏置不仅与界面耦合有关，还受到磁性结构中FM簇和AFM簇的比例影响。研究人员通过分析材料中的磁性结构，发现FM簇的数量相对较少，大约在2.4至3.1之间，而AFM簇的数量则占主导地位。这种磁性结构的不均匀性可能是导致交换偏置表现出非传统行为的重要原因。此外，材料中的交换偏置参数还与内部的自旋弛豫时间尺度密切相关，通过详细分析，研究人员确定了该材料的特征弛豫时间约为8.4 × 10?1?秒，这一时间尺度进一步支持了其作为自旋玻璃的特性。

交换偏置的形成机制在自旋玻璃中具有独特的表现。与传统磁性材料不同，自旋玻璃中的交换偏置不仅来源于界面处的磁性相互作用，还受到材料内部磁性结构的复杂性影响。在某些情况下，磁性偏置可能来源于磁性材料中冻结的自旋，而这些自旋通常存在于玻璃态结构中。因此，研究自旋玻璃中的交换偏置不仅有助于理解磁性材料的微观结构，还能为设计具有特定磁性性能的材料提供指导。

研究人员还发现，交换偏置参数的变化与冷却磁场和测量磁场密切相关。在冷却磁场为50 kOe时，交换偏置值为–14.1 kOe，而在更高的测量磁场下，交换偏置参数逐渐下降。这种变化趋势与传统的磁性材料行为不同，表明材料内部的磁性相互作用具有高度的非线性特征。这种非线性行为可能是由于材料中存在大量负值的内在界面交换耦合（J_i），即–10.24 ± 0.22 meV和–12.55 ± 0.49 meV，这进一步支持了材料作为自旋玻璃的特性。

此外，研究人员还发现，这种材料的磁性行为受到多种外部因素的影响，包括温度、冷却磁场以及测量磁场。通过实验测量，研究人员确定了材料在不同温度下的磁性状态，并发现其在低温下表现出显著的玻璃态磁性特征。这种特征不仅体现在磁化曲线的偏移上，还体现在磁性弛豫时间尺度和比热容的变化上。这些结果表明，该材料的磁性行为具有高度的复杂性，其交换偏置现象与传统磁性材料存在显著差异。

总的来说，这项研究为理解自旋玻璃中的交换偏置提供了新的视角。通过实验与理论分析，研究人员揭示了该材料在低温下表现出的显著负交换偏置现象，并进一步探讨了其磁性行为的机制。这些发现不仅对磁性材料的微观结构提供了新的认识，也为未来在磁存储、自旋阀、高密度磁记录等领域的材料设计提供了重要的理论依据。此外，研究还表明，材料中的磁性行为受到多种外部因素的影响，包括温度、冷却磁场和测量磁场，这些因素共同决定了其交换偏置的大小和特性。通过深入分析这些因素，研究人员能够更好地理解自旋玻璃中的磁性行为，并为相关材料的开发和应用提供指导。