a、b 的左侧部分：显示 YVO3 在 YAlO3 衬底不同面上的外延的草图。后者显示为橙色立方体，紫色面表示正交 （001） 平面，该平面在 a 和 b 中的方向不同。钒离子显示为黑色球体，每个球体由六个氧离子（绿色八面体）配位。不同的刻面印记不同的原子位移，中心钇离子的位移方向（橙色）由红色箭头表示。a、b 的右部分：YVO3 在不同面上生长时，光散射信号是不同的。这是由于不同自旋轨道相在低温下的稳定性（见插图）。图片来源：马克斯·普朗克固态研究所的 Eva Benckiser。

钙钛矿是一种晶体结构与矿物钛酸钙 CaTiO 晶体结构相仿的材料，其特性有利于开发各种技术。例如，它们已被证明在设计光伏 （PV） 系统和电子设备方面很有前途。

钙钛矿也是探索各种量子态的理想材料，包括轨道有序、磁性和超导性。此外，物理学家可以仔细设计这些材料以解锁各种可调特性，这些特性通常是由于与立方钙钛矿结构的细微偏差造成的。

意识到这些偏差并控制它们以获得特定特性可能非常具有挑战性。在最近发表在《自然物理学》上的一篇论文中，马克斯·普朗克固态研究所的研究人员提出了一种很有前途的策略，可以在钒酸盐钙钛矿 YVO 中实现细微的原子位移3.

“我们最近研究的目的是从根本上了解当晶体材料在另一个晶体的不同面上以定向方式生长为薄膜时，其功能特性如何变化，而晶格和极性与薄膜的不匹配等控制参数几乎保持不变，”Eva Benckiser 说， 该论文的资深作者告诉 Phys.org。

在反铁磁 Mott 绝缘体 YVO 中定向压印轻微的原子位移3，研究人员在同一衬底的不同面上沉积了外延膜。值得注意的是，他们观察到基板不同面上的钒酸盐薄膜表现出不同的自旋轨道有序模式。

“在具有强电子-电子相关性的材料中，例如钙钛矿钒酸盐 YVO3，物理特性对最小的结构变化非常敏感，例如当具有不同晶格的材料一起生长时在界面处发生的变化，“Benckiser 解释说。

“在本工作中，我们使用了斜方交基底材料 YAlO 的两次切割3，其面在三次参考系中无法区分，并且与 YVO 具有非常相似的晶格失配3."

Benckiser 和她的同事最近的研究表明，可以利用衬底刻面来仔细定制钙钛矿的自旋轨道行为。初步实验突出了他们提出的方法的前景，该方法最终可用于为各种技术设计新材料。

Benckiser 说：“我们的光散射实验表明，磁有序模式因衬底刻面而异，这是由于印迹在衬底-薄膜界面处的原子位移存在细微差异。“这种基本效应可用于稳定各种功能钙钛矿材料中的所需相，例如，创造新型自旋电子学材料。”

研究人员希望他们最近的工作将有助于量子材料的精确工程设计，为物理学家提供一条操纵其特性的替代途径。同时，他们计划继续构建他们设计的方法，同时探索印记位移模式对其他钙钛矿特性的影响程度。

Benckiser 补充道：“未来，我们计划更详细地研究印记正交位移的长度尺度，并探索其他功能钙钛矿薄膜中不同刻面的影响。

更多信息：Padma Radhakrishnan 等人，印记原子位移驱动钒酸盐钙钛矿中的自旋轨道顺序，自然物理学（2024 年）。DOI：10.1038/s41567-024-02686-8。

期刊信息： Nature Physics