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(yīng)不僅蘊(yùn)含著豐富的基礎(chǔ)物理問題，而且具有重要的應(yīng)用前景，是近年來凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的個(gè)研究熱點(diǎn)。多鐵性材料分為復(fù)合材料和單相材料兩大類，復(fù)合材料的磁電耦合是用界面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的間接耦合，單相材料的磁電耦合是種本征的體效應(yīng)。在過去的十多年里，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(yīng)（磁場(chǎng)控制電化或者電場(chǎng)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(xué)器件中的應(yīng)用。如何大幅度提高單相材料的磁電耦合效應(yīng)成為該域面臨的個(gè)重大挑戰(zhàn)。

    近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室孫陽研究員（Quantum Design產(chǎn)品用戶）、柴晟副研究員和博士生翟昆等在種Y-型六角鐵氧體Ba_0.4Sr_1.6Mg₂Fe₁₂O₂₂中實(shí)現(xiàn)了巨大的磁電耦合效應(yīng)，獲得了高達(dá)33000 ps/m的正磁電耦合系數(shù)和32000 ps/m的逆磁電耦合系數(shù)，創(chuàng)造了單相材料磁電耦合效應(yīng)的新記錄。

圖1. 六角鐵氧體Ba_2-xSr_xMg₂Fe₁₂O₂₂ 在 10 K下的正磁電耦合效應(yīng)

    六角鐵氧體是類具有六角晶系的鐵基氧化物，按照結(jié)構(gòu)單元的不同，可進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)，在六角鐵氧體中可以通過部分元素替換產(chǎn)生豐富的非共線螺旋磁結(jié)構(gòu)。對(duì)于些定的螺旋磁結(jié)構(gòu)，非共線的自旋之間可以通過逆Dzyaloshinskii-Moriya相互作用產(chǎn)生宏觀電化，從而導(dǎo)致磁有序驅(qū)動(dòng)的第二類多鐵性與磁電耦合效應(yīng)。在以往的研究中，雖然人們已經(jīng)在些六角鐵氧體中觀察到較強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)，但是，對(duì)于如何在六角鐵氧體中進(jìn)步實(shí)現(xiàn)巨大的磁電耦合效應(yīng)，還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)和思路。　

圖2. 六角鐵氧體Ba_2-xSr_xMg₂Fe₁₂O₂₂ (x = 1.6)在 10 K下的逆磁電耦合效應(yīng)

    為了理解Y-型六角鐵氧體Ba_0.4Sr_1.6Mg₂Fe₁₂O₂₂中巨磁電耦合效應(yīng)的物理起源，博士生翟昆合成出Ba_2-xSr_xMg₂Fe₁₂O₂₂(0.0≤x≤1.6) 系列單晶樣品，系統(tǒng)研究了其宏觀磁性和磁電耦合效應(yīng)隨Sr含量的變化關(guān)系。同時(shí)，孫陽研究組與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室曹慧波博士等合作，用中子散射技術(shù)詳細(xì)研究了這系列單晶樣品的磁結(jié)構(gòu)，給出了Ba_2-xSr_xMg₂Fe₁₂O₂₂體系中圓錐狀螺旋磁結(jié)構(gòu)隨Sr含量及外加磁場(chǎng)變化的相圖。

圖3. 六角鐵氧體中自旋錐對(duì)稱性與磁電耦合系數(shù)的關(guān)系

    研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，六角鐵氧體中磁電耦合效應(yīng)的強(qiáng)度與自旋錐的對(duì)稱性密切相關(guān)：當(dāng)自旋錐的對(duì)稱性從四重對(duì)稱性降低到二重對(duì)稱性時(shí)，在外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下自旋錐可以發(fā)生180度翻轉(zhuǎn)；同時(shí)，自旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電化也會(huì)隨之發(fā)生180度反向。通過元素替換調(diào)控磁各向異性使得這相變發(fā)生在零磁場(chǎng)附近，就會(huì)導(dǎo)致巨大的磁電耦合系數(shù)。因此，該項(xiàng)研究不僅獲得了迄今為止單相材料中zui大的正逆磁電耦合系數(shù)，也為如何提高多鐵性六角鐵氧體中的磁電耦合效應(yīng)指明了方向。

    以上研究成果發(fā)表于Nature Communications 8，519（2017）。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（11534015，11374347），科技部（2016YFA0300701）和中國科學(xué)院項(xiàng)目（XDB07030200）的支持。

文章來源：（中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，zui終解釋權(quán)歸中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所有）