磁性材料因其蕴含的丰富物理和广阔应用前景成为了凝聚态物理和材料科学的重点研究体系。其中具有尖晶石结构的亚铁磁绝缘体CoFe2O4，由于其较大的饱和磁化强度和极高的磁转变温度（约840K）,受到人们的极大关注，被广泛应用于微波器件和自旋电子学器件等领域。然而在CoFe2O4薄膜材料中，由于衬底与薄膜材料间的晶格失配导致的晶格缺陷、位错以及反相畴结构的存在，使得薄膜材料中的的磁性往往远低于块材。为了增强CoFe2O4薄膜的磁性，人们围绕化学掺杂、应力调控以及热退火处理等调控手段开展了系列尝试。但一方面这些尝试对于材料的磁性增强效果并不显著，而另一方面这些方法的调控方式均较为复杂；因此探寻一种更为简易而有效的磁性增强调控策略具有重要的应用价值。
图1 氢化CoFe2O4中磁性增强的物理机制示意图。其中四面体的钴离子的自旋方向会随着局域氢离子的插入而发生翻转，从而导致材料整体磁性的显著增强。
近年来，物理系于浦课题组利用离子液体门电压调控的方法在系列功能材料中成功实现了氢化相变，对材料的晶体结构、磁基态、导电性以及超导性等实现了显著调控作用。该研究组最近成功的在CoFe2O4薄膜中实现了氢化调控，并观察到磁性的显著增强效果。结合X射线吸收谱分析和基于第一性原理的理论计算，他们提出了氢化导致的自旋翻转模型对该现象进行了合理解释。研究表明，氢离子与氧离子结合的电荷掺杂效应是局域化，使得材料依然保持很好的绝缘性。如图1所示，氢离子的插入与氧离子成键，从而导致近邻的八面体中的铁离子的价态发生显著降低；该调控打破了体系中的超交换作用的平衡，引发四面体中钴离子的自旋方向发生翻转；最终整个材料表现为总磁矩的显著增加。
该工作以“Enhanced Magnetization in CoFe2O4 Through Hydrogen Doping”为题于2月10号发表于《Advanced Functional Materials》。清华大学物理系的于浦教授和上海交通大学的罗卫东教授为该论文的共同通讯作者，清华大学物理系毕业生李卓璐博士、博士生吕英杰和上海交通大学博士生冉召为文章的共同第一作者。该研究受到了北京市自然科学基金、国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委员会、清华大学低维量子物理国家重点实验室、北京未来芯片技术高精尖创新中心和中国科学院战略性先导科技专项等资助。
全文链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212298
