2019年8月19日
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现代工程与应用科学学院杨玉荣课题组在多铁性材料研究中取得进展

现代工程与应用科学学院杨玉荣课题组与美国阿肯色大学、复旦大学合作等单位合作,在多铁性材料、电控磁材料研究中取得重要进展,相关成果发表在Physical Review Letters上,标题为Electric-Field Control of Magnetization, Jahn-Teller Distortion, and Orbital Ordering in Ferroelectric Ferromagnets (DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.247701)。

图1. PbTiO3/LaTiO3超晶格中主要的结构畸变。(a)沿面内a轴方向的极化畸变 P,(b)面内反向氧八面体旋转Φxy,(c)面外同向氧八面体旋转Θz,(d)Jahn-Teller晶格畸变Q。

多铁性材料是近年来凝聚态物理、材料物理领域的研究热点,在存储、传感等电、磁领域有巨大应用前景。虽然目前存在不同类型的多铁性材料,即I型多铁(如BiFeO3)、II型多铁(如TbMnO3)、杂化非本征多铁等,但是它们中的大多数都只有很弱的净铁磁,电场控制强铁磁的单相材料从未实现。另外,Jahn-Teller结构畸变是材料中另一有趣的现象,它和轨道序、巨磁阻、超导和强电子关联性质密切相关。通过外电场调控材料的Jahn-Teller效应及其他电子特性是另一具有重要价值的研究内容。

图2. (a)铁磁沿a轴与b轴方向的能量差,氧八面体扭转角度和电极化随电场的变化(b)Ti3+阳离子的磁轴通过电场调控翻转90°的示意图,(c)Jahn-Teller畸变,氧八面体扭转角度和电极化随电场的变化(d)费米面至其以下0.5eV范围内的电荷密度分布。其中(a)(b)电场沿-b轴方向,即垂直于初始极化方向;(c)(d)电场沿a轴方向,即反平行于初始极化方向。

杨玉荣研究团队在PbTiO3/LaTiO3等超晶格实现了电场控制强铁磁性质,同时,利用电场也可控制的Jahn-Teller畸变和轨道序。具体来说,PbTiO3/LaTiO3超晶格不仅仅是具有多铁性,同时具有强电极化和强铁磁,还具有Jahn-Teller效应和轨道序。在电场的作用下,这种强铁磁的方向可以90°翻转,甚至可以180°完全逆转。更为令人惊叹的是,Jahn-Teller畸变和轨道序可以随着电场方向的改变而发生翻转。因此,这些新奇的发现将为调控磁性、磁电耦合和强关联电子特性打开一扇新的大门。因此,当前的研究工作将极大地推动诸多领域(如凝聚物质、材料科学、纳米科学和电磁学)的实质性发展,解决在多铁材料研究领域中的一个突出问题---通过电场控制强磁化。此外,通过调控Jahn-Teller畸变和轨道序来控制电子性质,开辟了电子性质电场控制这一全新领域。

南京大学现代工程与应用科学学院杨玉荣特聘研究员为论文通讯作者,合作单位有University of Arkansas、University of Luxembourg、复旦大学,研究得到了国家自然科学基金委面上、中央高校基本科研业务费专项基金等项目的支持。

(x现代工程与应用科学学院 科学技术处)