[Abstract] Magnetic domain walls are boundaries between regions with different configurations of the same magnetic order. In a magnetic insulator, where the magnetic order is tied to its bulk insulating property, it has been postulated that electrical properties are drastically different along the domain walls, where the order is inevitably disturbed. Here we report the discovery of highly conductive magnetic domain walls in a magnetic insulator, Nd2Ir2O7, that has an unusual all-in-all-out magnetic order, via transport and spatially resolved microwave impedance microscopy. The domain walls have a virtually temperature-independent sheet resistance of ~1 kilohm per square, show smooth morphology with no preferred orientation, are free from pinning by disorders, and have strong thermal and magnetic field responses that agree with expectations for all-in-all-out magnetic order.
我中心参与工作在《科学》杂志发表
——跨越国界科学合作，发现导电磁畴界面
来自斯坦福大学、日本理化学研究所、中科院上海微系统所、西安交通大学、劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员发现绝缘体的磁畴边界具有高导电性。这项重要的发现，不仅第一次为困扰科学家数十年的科学假说提供了直接证据，而且对未来存储器的设计和开发具有重要的潜在应用价值，发表在国际顶尖期刊《科学》（Science, 350, 6260, 538-541, DOI: 10.1126/science.aac8289, 2015）杂志上。
早在几十年前，科学家就通过简单的理论模型推导认为，电绝缘体的磁畴边界可能成为电的良导体。这个理论假设自提出就受到了广泛关注，然而在本研究之前，尽管科学家对大量可能的材料体系已经进行了研究，但是都未能获得直接的实验证据。
在本研究中，日本理化学研究所Yoshinori Tokura教授课题组的研究人员合成了高品质的电绝缘体多晶化合物Nd2Ir2O7。微尺度电输运测试设备的研制和电输运性能的测量由斯坦福大学沈志勋教授研究组的博士生马岳、博士后崔永涛博士，和中科院上海微系统所研究生唐述杰共同完成。导电磁畴界的直接成像由斯坦福大学的研究人员通过一个独特的微波阻抗显微镜（MIM）得到。微波阻抗显微镜将微波向下输送至一个直径约100纳米的金属针尖，通过感知反射回来的波获知材料在针尖大小的区域是否具有导电性（下图a）。通过微波阻抗显微镜获取的优质图像，研究人员们对Nd2Ir2O7多晶样品内的电阻率分布进行二维逐点测量，并成功观测到了高导电性的磁畴界（下图b）。
（a）微波阻抗显微镜（MIM）的实验设置示意图；（b）利用MIM直接观测到的绝缘体内导电磁畴边界的电阻率分布图
本研究的最后一个难题是通过Nd2Ir2O7多晶材料的晶体取向信息揭示在微波阻抗显微镜下观察到的导电曲线的本质。然而，这个工作涉及四大挑战：第一，合成出的材料是由很多尺寸远小于人的头发直径且取向各异的晶粒组成；第二，他们需要精确地找到微波阻抗显微镜下观察的区域，就好像要在一片沙滩上寻找一粒沙子；第三，Nd2Ir2O7多晶材料很脆因而难以抛光，因此难以用常见的EBSD方法进行观察；第四，Nd2Ir2O7晶体结构比较复杂，衍射谱的解析很具挑战。最终，我中心陈凯副教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）先进光源（ALS）的Nobumichi Tamura博士利用同步辐射微束白光X射线劳厄衍射技术和独立开发的数据分析软件XMAS成功完成了这项工作。
同步辐射微束白光X射线微衍射实验装置示意图
顺便一提的是，参与本研究的斯坦福大学博士后崔永涛博士和中心陈凯副教授是中学同班同学，都曾就读于我校附属中学理科实验班（1998-2001）。
