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蘊含著豐富的基礎物理問題, 具有重要的應用前景, 是近年來凝聚態物理和材料科學的研究熱點之一. 多鐵性材料分為複合材料和單相材料兩類, 複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本徵的體效應. 人們已發現種類繁多的單相多鐵性材料, 已知的單相多鐵性材料的磁電耦合效應 (磁場控制電極化或者電場控制磁性) 通常比較微弱, 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重大挑戰. 近日, 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室 (籌) 研究員孫陽等在一種Y-型六角鐵氧體Ba0.4Sr1.6Mg2Fe12O22中實現了巨大的磁電耦合效應, 獲得了高達33000ps/m的正磁電耦合係數和32000ps/m的逆磁電耦合係數, 創造了單相材料磁電耦合效應的新世界記錄. 相關研究成果發表在Nature Communications上.
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. 由於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極化, 導致磁有序驅動的第二類多鐵性與磁電耦合效應. 在以往研究中, 已在一些六角鐵氧體中觀察到較強的磁電耦合效應, 但是, 如何在六角鐵氧體中進一步實現巨大的磁電耦合效應, 缺乏清晰的認識和思路. 為理解Y-型六角鐵氧體Ba0.4Sr1.6Mg2Fe12O22中巨磁電耦合效應的物理起源, 科研人員合成出Ba2-xSrxMg2Fe12O22 (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含量的變化關係. 同時, 孫陽研究組與美國橡樹嶺國家實驗室科研人員合作, 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Ba2-xSrxMg2Fe12O22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. 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, 自旋結構產生的電極化也會隨之發生180度反向. 通過元素替換調控磁各向異性使這一相變發生在零磁場附近, 導致巨大的磁電耦合係數. 該項研究獲得了迄今為止單相材料中最大的正逆磁電耦合係數, 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.
研究工作得到了國家自然科學基金, 科技部和中科院項目的支援.
