多鐵性是指鐵電性、鐵磁性、鐵彈性等多種有序的共存。多鐵性材料與磁電耦合效應不僅蘊含著豐富的基礎物理問題，而且具有重要的應用前景，是近年來凝聚態物理和材料科學的一個研究熱點。多鐵性材料分為復合材料和單相材料兩大類，復合材料的磁電耦合是利用界面效應實現的間接耦合，單相材料的磁電耦合是一種本征的體效應。在過去的十多年里，人們已經發現了種類繁多的單相多鐵性材料。然而，已知的單相多鐵性材料的磁電耦合效應(磁場控制電化或者電場控制磁性)通常比較微弱，這大地限制了單相多鐵性材料在未來磁電子學器件中的應用。如何大幅度提高單相材料的磁電耦合效應成為該領域面臨的一個重大挑戰。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理實驗室孫陽研究員(Quantum Design產品用戶)、柴一晟副研究員和博士生翟昆等在一種Y-型六角鐵氧體中實現了巨大的磁電耦合效應，獲得了高達33000 ps/m的正磁電耦合系數和32000 ps/m的逆磁電耦合系數，創造了單相材料磁電耦合效應的新記錄?！ ?/p>
圖1. 六角鐵氧體在 10 K下的正磁電耦合效應
六角鐵氧體是一類具有六角晶系的鐵基氧化物，按照結構單元的不同，可進一步劃分為M, W, X, Y, Z, 和U型六角鐵氧體。由于存在多種磁性相互作用的競爭，在六角鐵氧體中可以通過部分元素替換產生豐富的非共線螺旋磁結構。對于一些特定的螺旋磁結構，非共線的自旋之間可以通過逆Dzyaloshinskii-Moriya相互作用產生宏觀電化，從而導致磁有序驅動的第二類多鐵性與磁電耦合效應。在以往的研究中，雖然人們已經在一些六角鐵氧體中觀察到較強的磁電耦合效應，但是，對于如何在六角鐵氧體中進一步實現巨大的磁電耦合效應，還缺乏清晰的認識和思路?！ ?/p>
圖2. 六角鐵氧體(x = 1.6)在 10 K下的逆磁電耦合效應
為了理解Y-型六角鐵氧體中巨磁電耦合效應的物理起源，博士生翟昆合成出(0.0≤x≤1.6) 一系列單晶樣品，系統研究了其宏觀磁性和磁電耦合效應隨Sr含量的變化關系。同時，孫陽研究組與美國橡樹嶺實驗室曹慧波博士等合作，利用中子散射技術詳細研究了這一系列單晶樣品的磁結構，給出了體系中圓錐狀螺旋磁結構隨Sr含量及外加磁場變化的相圖?！ ?/p>
圖3. 六角鐵氧體中自旋錐對稱性與磁電耦合系數的關系
研究結果發現，六角鐵氧體中磁電耦合效應的強度與自旋錐的對稱性密切相關：當自旋錐的對稱性從四重對稱性降低到二重對稱性時，在外加磁場驅動下自旋錐可以發生180度翻轉;同時，自旋結構產生的電化也會隨之發生180度反向。通過元素替換調控磁各向異性使得這一相變發生在零磁場附近，就會導致巨大的磁電耦合系數。因此，該項研究不僅獲得了迄今為止單相材料中大的正逆磁電耦合系數，也為如何提高多鐵性六角鐵氧體中的磁電耦合效應指明了方向。
以上研究成果發表于Nature Communications 8，519(2017)。該工作得到了自然科學基金(11534015，11374347)，科技部(2016YFA0300701)和中國科學院項目(XDB07030200)的支持。
文章來源：(中國科學院物理研究所磁學重點實驗室，終解釋權歸中國科學院物理研究所磁學重點實驗室官網所有)
