The electronic reconstruction at the interface between two insulating oxides can give rise to a highly conductive interface1,2. Here we show how, in analogy to this remarkable interface-induced conductivity, magnetism can be induced at the interface between the otherwise non-magnetic insulating perovskites SrTiO3 and LaAlO3. A large negative magnetoresistance of the interface is found, together with a logarithmic temperature dependence of the sheet resistance. At low temperatures, the sheet resistance reveals magnetic hysteresis. Magnetic ordering is a key issue in solid-state science and its underlying mechanisms are still the subject of intense research. In particular, the interplay between localized magnetic moments and the spin of itinerant conduction electrons in a solid gives rise to intriguing many-body effects such as Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida interactions3, the Kondo effect4 and carrier-induced ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors5. The conducting oxide interface now provides a versatile system to induce and manipulate magnetic moments in otherwise non-magnetic materials.

Multiferroic materials, or materials that simultaneously possess two or more ferroic order parameters, have returned to the forefront of materials research. Driven by the desire to achieve new functionalities—such as electrical control of ferromagnetism at room temperature—researchers have undertaken a concerted effort to identify and understand the complexities of multiferroic materials. The ability to create high quality thin film multiferroics stands as one of the single most important landmarks in this flurry of research activity. In this review we discuss the basics of multiferroics including the important order parameters and magnetoelectric coupling in materials. We then discuss in detail the growth of single phase, horizontal multilayer, and vertical heterostructure multiferroics. The review ends with a look to the future and how multiferroics can be used to create new functionalities in materials.

Detailed analysis of transport, magnetism, and x-ray absorption spectroscopy measurements on ultrathin ${\text{La}}_{0.7}{\text{Sr}}_{0.3}{\text{MnO}}_{3}$ films with thicknesses from 3 to 70 unit cells resulted in the identification of a lower critical thickness for a nonmetallic nonferromagnetic layer at the interface with the ${\text{SrTiO}}_{3}$ (001) substrate of only three unit cells $(\ensuremath{\sim}12\text{ }\text{\AA{}})$. Furthermore, linear-dichroism measurements demonstrate the presence of a preferred $({x}^{2}\text{\ensuremath{-}}{y}^{2})$ in-plane orbital ordering for all layer thicknesses without any orbital reconstruction at the interface. A crucial requirement for the accurate study of these ultrathin films is a controlled growth process, offering the coexistence of layer-by-layer growth and bulklike magnetic/transport properties.

We report the formation of a novel ferromagnetic state in the antiferromagnet ${\mathrm{BiFeO}}_{3}$ at the interface with ferromagnet ${\mathrm{La}}_{0.7}{\mathrm{Sr}}_{0.3}{\mathrm{MnO}}_{3}$. Using x-ray magnetic circular dichroism at Mn and Fe ${L}_{2,3}$ edges, we discovered that the development of this ferromagnetic spin structure is strongly associated with the onset of a significant exchange bias. Our results demonstrate that the magnetic state is directly related to an electronic orbital reconstruction at the interface, which is supported by the linearly polarized x-ray absorption measurement at the oxygen $K$ edge.

Topological defects in ferroic materials are attracting much attention both as a playground of unique physical phenomena and for potential applications in reconfigurable electronic devices. Here, we explore electronic transport at artificially created ferroelectric vortices in BiFeO3 thin films. The creation of one-dimensional conductive channels activated at voltages as low as 1 V is demonstrated. We study the electronic as well as the static and dynamic polarization structure of several topological defects using a combination of first-principles and phase-field modelling. The modelling predicts that the core structure can undergo a reversible transformation into a metastable twist structure, extending charged domain walls segments through the film thickness. The vortex core is therefore a dynamic conductor controlled by the coupled response of polarization and electron–mobile-vacancy subsystems with external bias. This controlled creation of conductive one-dimensional channels suggests a pathway for the design and implementation of integrated oxide electronic devices based on domain patterning. The controlled creation of one-dimensional conductive channels at the cores of topological defects in the multiferroic material BiFeO3 demonstrates that such defects can drive metal–insulator phase transitions, and might provide a route towards high-density information storage.

Multiferroic materials showing coupled electric, magnetic and elastic orderings provide a platform to explore complexity and new paradigms for memory and logic devices. Until now, the deterministic control of non-ferroelectric order parameters in multiferroics has been elusive. Here, we demonstrate deterministic ferroelastic switching in rhombohedral BiFeO(3) by domain nucleation with a scanning probe. We are able to select among final states that have the same electrostatic energy, but differ dramatically in elastic or magnetic order, by applying voltage to the probe while it is in lateral motion. We also demonstrate the controlled creation of a ferrotoroidal order parameter. The ability to control local elastic, magnetic and torroidal order parameters with an electric field will make it possible to probe local strain and magnetic ordering, and engineer various magnetoelectric, domain-wall-based and strain-coupled devices.

Controlled in-plane rotation of the magnetic easy axis in manganite heterostructures by tailoring the interface oxygen network could allow the development of correlated oxide-based magnetic tunnelling junctions with non-collinear magnetization, with possible practical applications as miniaturized high-switching-speed magnetic random access memory (MRAM) devices. Here, we demonstrate how to manipulate magnetic and electronic anisotropic properties in manganite heterostructures by engineering the oxygen network on the unit-cell level. The strong oxygen octahedral coupling is found to transfer the octahedral rotation, present in the NdGaO3 (NGO) substrate, to the La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) film in the interface region. This causes an unexpected realignment of the magnetic easy axis along the short axis of the LSMO unit cell as well as the presence of a giant anisotropic transport in these ultrathin LSMO films. As a result we possess control of the lateral magnetic and electronic anisotropies by atomic-scale design of the oxygen octahedral rotation. Strong oxygen octahedral coupling is found to transfer the octahedral rotation between NdGaO3 and La2/3Sr1/3MnO3, allowing manipulation of the heterostructures’ magnetic and electronic anisotropic properties by engineering the oxygen network.

Epitaxial oxide interfaces with broken translational symmetry have emerged as a central paradigm behind the novel behaviors of oxide superlattices. Here, we use scanning transmission electron microscopy to demonstrate a direct, quantitative unit-cell-by-unit-cell mapping of lattice parameters and oxygen octahedral rotations across the ${\mathrm{BiFeO}}_{3}\mathrm{\text{\ensuremath{-}}}{\mathrm{La}}_{0.7}{\mathrm{Sr}}_{0.3}{\mathrm{MnO}}_{3}$ interface to elucidate how the change of crystal symmetry is accommodated. Combined with low-loss electron energy loss spectroscopy imaging, we demonstrate a mesoscopic antiferrodistortive phase transition near the interface in ${\mathrm{BiFeO}}_{3}$ and elucidate associated changes in electronic properties in a thin layer directly adjacent to the interface.

Abstract A large variety of transport properties have been observed at the interface between the insulating oxides SrTiO 3 and LaAlO 3 such as insulation, 2D interface metallicity, 3D bulk metallicity, magnetic scattering, and superconductivity. The relation between the structure and the properties of the SrTiO 3 /LaAlO 3 interface can be explained in a meaningful way by taking into account the relative contribution of three structural aspects: oxygen vacancies, structural deformations (including cation disorder), and electronic interface reconstruction. The emerging phase diagram is much richer than for related bulk oxides due to the occurrence of interface electronic reconstruction. The observation of this interface phenomenon is a display of recent advances in thin film deposition and characterization techniques, and provides an extension to the range of exceptional electronic properties of complex oxides.

Conventional two-dimensional electron gases are realized by engineering the interfaces between semiconducting compounds. In 2004, Ohtomo and Hwang discovered that an electron gas can be also realized at the interface between large gap insulators made of transition metal oxides [1]. This finding has generated considerable efforts to clarify the underlying microscopic mechanism. Of particular interest is the LaAlO3/SrTiO3 system, because it features especially striking properties. High carrier mobility [1], electric field tuneable superconductivity [2] and magnetic effects [3], have been found. Here we show that an orbital reconstruction is underlying the generation of the electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 n-type interface. Our results are based on extensive investigations of the electronic properties and of the orbital structure of the interface using X-ray Absorption Spectroscopy. In particular we find that the degeneracy of the Ti 3d states is fully removed, and that the Ti 3dxy levels become the first available states for conducting electrons.