中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility，简称SHMFF）是国家发改委支持的“十一五”国家重大科技基础设施。SHMFF法人单位是中国科学院合肥物质科学研究院，共建单位是中国科学技术大学。各项任务以中国科学院强磁场科学中心为依托完成... 更多简介 +
近日，中国科学院合肥物质院强磁场科学中心陆轻铀课题组与英国华威大学彭威研究员、Marin Alexe教授及韩国浦项科技大学的Daesu Lee教授等国际团队合作，依托稳态强磁场实验装置（SHMFF）的水冷磁体扫描力显微镜及超导磁体SMA组合显微系统，在氧化物薄膜的铁弹性晶体取向调控领域取得重要突破。研究团队利用超锐针尖诱导的剪切应力，首次实现对氧化物薄膜中铁弹性畴的三维操控。相关研究成果以“Ferroelastic writing of crystal directions in oxide thin films”为题，在线发表于Nature Nanotechnology。
铁性材料（如铁磁、铁电、铁弹）中复杂的畴结构及其诱导的局部异质性，为理解与优化材料的功能物性带来了挑战与机遇。比如，针对铁电/铁磁序开发的电、磁控制推动了多种电子学器件的发展。铁弹材料作为铁性材料中最庞大的一类，其特征是晶格在机械应力下表现出具备弹性滞后的多取向态（孪晶）切换。在复杂氧化物中，铁弹序（晶体取向）常与其他自由度（如电荷、自旋、轨道等）强烈耦合，成为深刻影响电子性质的重要因素。然而，目前仍然缺乏在纳米尺度上针对铁弹序的非易失性、非破坏性控制手段，极大地制约了相关基础研究和应用开发。
以铁磁金属氧化物SrRuO3薄膜为例，研究团队利用SHMFF水冷磁体平台开发的高灵敏磁力显微镜系统（MFM），在2-300 K温度范围和0-35 T磁场条件下，直接观测了纳米磁畴结构。实验发现，具备（111）晶体取向的SrRuO3薄膜在 5 K以下低温基态时需 27 - 35 T 超高场才能使磁畴逐渐饱和。这一首次发现的超稳定磁结构促使团队深入探究磁性起源。通过原位对比扫描电子显微镜电子通道衬度（ECC）的铁弹畴图像和MFM的磁畴图像，并结合微磁模拟，团队证实铁弹畴壁处的面内磁化分量以“头对头 / 尾对尾”模式排列，产生杂散场对比。这一结果揭示了这一体系内的铁磁-铁弹性耦合（即磁弹性耦合），表现为晶体取向锁定的磁各向异性。
在调控技术上，团队通过控制超锐针尖施加的剪切应力场，在 SrRuO3（001）和（111）薄膜中，分别实现了四变体和三变体晶体取向的选择性切换，ECC成像清晰展示了畴结构的可控转变。磁输运和MFM观测进一步表明，铁弹切换可精确选择磁易轴取向。通过调节 原子力显微镜（AFM）针尖的载荷力，团队实现了纳米级深度分辨调控：低载荷力可选择性作用于薄膜表层，施加3 mN载荷力可贯穿10 nm厚薄膜全层，为设计垂直磁异质结构提供了新路径。
该铁弹性“书写”技术已成功制备出50 nm宽的磁畴条纹和26×26 nm2点状磁畴，其磁态可通过 MFM 稳定读取，估算存储密度达 148 Gbit/cm2。在自旋电子学领域，团队通过调控层间磁各向异性，在SrRuO3单层膜中实现无外场自旋轨道矩（SOT）磁化翻转：当表层晶体取向旋转180度时，自旋霍尔效应产生的层间自旋流不再抵消，反常霍尔信号变化幅度翻倍。该调控方案在 (La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O3体系中的成功复现，验证了其普适性。
研究中所使用的水冷磁体显微镜系统，在0-35 T超强磁场下实现高分辨磁畴成像，弥补了传统输运测试在微观观测上的不足。该成果不仅建立了基于 AFM 针尖的三维铁弹性“写入”技术，为研究超导、磁输运等涉及结构异质性的相关物性提供了新方法，还为机械可编程的非易失性纳米电子学开辟了新方向。
英国华威大学彭威研究员、强磁场中心孟文杰副研究员和韩国浦项科技大学 Younji Kim 为共同第一作者；华威大学彭威、Marin Alexe 教授、强磁场中心陆轻铀研究员及韩国浦项科技大学 Daesu Lee 教授为共同通讯作者。该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01950-z
图1水冷磁体磁力显微系统实物、测试及铁弹耦合铁磁畴图像：（a）展示了由畴壁处面内分量分布区别导致的磁对比度示意图；同一区域采集铁弹畴、MFM及微磁学模拟图像对比；（b）5 K下磁畴随磁场0-30 T下演化过程。
图2铁弹性写入与晶体方向选择。（a）原子力显微镜针尖加载下剪应力分布示意图；（b）根据快速与慢速扫描轴，由拖尾引起的晶体剪切示意图；（c,d）ECC图像展示了确定性的铁弹性写入。
图3 （a）基于晶向选择的铁磁各向异性调控；（b）机械写入的铁弹畴织构的电子通道对比度（ECC）图像及对应磁力显微镜（MFM）图像；（c）具有不同设计的铁磁各向异性垂直不均匀性的SrRuO3（001）的无场自旋轨道矩（SOT）切换回线。
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