由于电子间的强关联作用，复杂氧化物 具有诸如高温超导、庞磁阻效应、多铁性等新奇物性。在实际体系中，这些物性往往需要依赖化学掺杂。通常情况下，掺杂元素在材料中的空间分布是随机的，给体系引入了一定的无序性。这种无序性对强关联体系的物理性质的影响迄今还没有被深入研究。尤其对于庞磁阻锰氧化物，由于其宏观物性与电子相分离紧密关联，而电子相分离如何受掺杂元素的空间分布所影响，还没有被过去的研究所涉及。人工微结构科学与技术协同创新中心成员，复旦大学沈健教授研究组选择具有大尺度电子相分离的La1-x-yPryCaxMnO3 (LPCMO)单晶薄膜作为模型体系，研究化学掺杂有序性对电子相分离和宏观物性的影响。利用超晶格生长技术，在样品制备中对掺杂元素Pr的空间排列进行调控，制备了Pr有序排列的LPCMO体系，并与常规Pr随机分布的LPCMO薄膜直接进行比较。实验结果显示，Pr的有序排列可以大大减小LPCMO体系的电子相分离尺度，提高体系的铁磁金属性，其中金属-绝缘体相变温度被提高了近100K。相关工作近日以标题为“Chemical Ordering Suppresses Large-scale Electronic Phase Separation in Doped Manganites”发表于《自然 • 通讯》（Nature Communications 7,11260）。
在电子相分离体系中，LPCMO由于其电子畴被发现尺度接近亚微米大小而特别有名。过去的研究表明，Pr的掺杂对LPCMO体系的物理性质具有显著的影响。为了研究LPCMO体系的大尺度电子相分离是否由Pr的无序掺杂引起，沈健研究组用La0.625Ca0.375MnO3和Pr0.625Ca0.375MnO3相互交替生长形成 [(LCMO)2/(PCMO)1]t超晶格结构，在不改变有效化学掺杂比例的情况下，使La和Pr形成二维层状有序分布，即Pr有序的LPCMO样品(简写为O-LPCMO)。作为对比，也研究了相同掺杂比的无序的(La2Pr1)0.625Ca0.375MnO3薄膜（简写为R-LPCMO）。
通过测量O-LPCMO样品和R-LPCMO样品的电输运性质，发现O-LPCMO的低温电阻率比R-LPCMO下降170倍，而金属-绝缘体相变温度提高了近100K（Fig.1a）。初始磁化曲线显示，O-LPCMO的饱和磁矩增大了13%，铁磁体积含量占比从25.3%增加到75.4%（Fig.1b）。
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用磁力显微镜（MFM）测试了O-LPCMO和R-LPCMO两种体系样品在各自金属-绝缘体相变温度附近的铁磁畴大小。从统计结果看出，O-LPCMO样品和R-LPCMO样品的磁畴平均面积分别为~0.031μm2和~0.392μm2。直观的显示，化学有序掺杂可以大大的减小LPCMO体系的电子相分离尺度。通过基于随机场Ising模型的蒙特卡洛模拟，数值模拟了化学掺杂对电子相分离的影响。研究表明，Pr的无序掺杂才是诱导大尺度电子相分离的主要原因。利用超晶格结构形成Pr层状有序分布，这种纳米尺度的有序调制，最终会对大尺度的电子相分离产生影响，在某种程度上阻止磁畴的长大。
沈健研究组的这项工作表明，化学掺杂的空间分布对锰氧化物体系的电子相分离和宏观物性具有重要影响。此外，用超晶格生长技术来研究掺杂有序度对物性影响的方法，也可以推广到其他强关联电子体系。
Fig.1 O-LPCMO和R-LPCMO的电输运和磁性性质
Fig.2 O-LPCMO和R-LPCMO的在T/TP温度处的磁畴大小对比。两张彩图分别是R-LPCMO和O-LPCMO在140 K和220 K的MFM图，绿色→红黑色是铁磁态，绿色→蓝白色是反铁磁电荷有序态。