多铁性六角铁氧体中的巨磁电耦合效应

多铁性是指铁电性、铁磁性、铁弹性等多种有序的共存。多铁性材料与磁电耦合效应不仅蕴含着丰富的基础物理问题，而且具有重要的应用前景，是近年来凝聚态物理和材料科学的一个研究热点。多铁性材料分为复合材料和单相材料两大类，复合材料的磁电耦合是利用界面效应实现的间接耦合，单相材料的磁电耦合是一种本征的体效应。在过去的十多年里，人们已经发现了种类繁多的单相多铁性材料。然而，已知的单相多铁性材料的磁电耦合效应(磁场控制电极化或者电场控制磁性)通常比较微弱，这极大地限制了单相多铁性材料在未来磁电子学器件中的应用。如何大幅度提高单相材料的磁电耦合效应成为该领域面临的一个重大挑战。

不久前，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室孙阳研究员(Quantum Design产品用户)、柴一晟副研究员和博士生翟昆等在一种Y-型六角铁氧体中实现了巨大的磁电耦合效应，获得了高达33000 ps/m的正磁电耦合系数和32000 ps/m的逆磁电耦合系数，创造了单相材料磁电耦合效应的新世界记录。　　

图1. 六角铁氧体在 10 K下的正磁电耦合效应

六角铁氧体是一类具有六角晶系的铁基氧化物，按照结构单元的不同，可进一步划分为M, W, X, Y, Z, 和U型六角铁氧体。由于存在多种磁性相互作用的竞争，在六角铁氧体中可以通过部分元素替换产生丰富的非共线螺旋磁结构。对于一些特定的螺旋磁结构，非共线的自旋之间可以通过逆Dzyaloshinskii-Moriya相互作用产生宏观电极化，从而导致磁有序驱动的第二类多铁性与磁电耦合效应。在以往的研究中，虽然人们已经在一些六角铁氧体中观察到较强的磁电耦合效应，但是，对于如何在六角铁氧体中进一步实现巨大的磁电耦合效应，还缺乏清晰的认识和思路。　　

图2. 六角铁氧体(x = 1.6)在 10 K下的逆磁电耦合效应

为了理解Y-型六角铁氧体中巨磁电耦合效应的物理起源，博士生翟昆合成出(0.0≤x≤1.6) 一系列单晶样品，系统研究了其宏观磁性和磁电耦合效应随Sr含量的变化关系。同时，孙阳研究组与美国橡树岭国家实验室曹慧波博士等合作，利用中子散射技术详细研究了这一系列单晶样品的磁结构，给出了体系中圆锥状螺旋磁结构随Sr含量及外加磁场变化的相图。　　

图3. 六角铁氧体中自旋锥对称性与磁电耦合系数的关系

研究结果发现，六角铁氧体中磁电耦合效应的强度与自旋锥的对称性密切相关：当自旋锥的对称性从四重对称性降低到二重对称性时，在外加磁场驱动下自旋锥可以发生180度翻转;同时，自旋结构产生的电极化也会随之发生180度反向。通过元素替换调控磁各向异性使得这一相变发生在零磁场附近，就会导致巨大的磁电耦合系数。因此，该项研究不仅获得了迄今为止单相材料中最大的正逆磁电耦合系数，也为如何提高多铁性六角铁氧体中的磁电耦合效应指明了方向。