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2019年8月23日
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現代工程與應用科學學院楊玉榮課題組在多鐵性材料研究中取得進展

現代工程與應用科學學院楊玉榮課題組與美國阿肯色大學、復旦大學合作等單位合作,在多鐵性材料、電控磁材料研究中取得重要進展,相關成果發表在Physical Review Letters上,標題為Electric-Field Control of Magnetization, Jahn-Teller Distortion, and Orbital Ordering in Ferroelectric Ferromagnets (DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.247701)。

圖1. PbTiO3/LaTiO3超晶格中主要的結構畸變。(a)沿面內a軸方向的極化畸變 P,(b)面內反向氧八面體旋轉Φxy,(c)面外同向氧八面體旋轉Θz,(d)Jahn-Teller晶格畸變Q。

多鐵性材料是近年來凝聚態物理、材料物理領域的研究熱點,在存儲、傳感等電、磁領域有巨大應用前景。雖然目前存在不同類型的多鐵性材料,即I型多鐵(如BiFeO3)、II型多鐵(如TbMnO3)、雜化非本征多鐵等,但是它們中的大多數都只有很弱的凈鐵磁,電場控制強鐵磁的單相材料從未實現。另外,Jahn-Teller結構畸變是材料中另一有趣的現象,它和軌道序、巨磁阻、超導和強電子關聯性質密切相關。通過外電場調控材料的Jahn-Teller效應及其他電子特性是另一具有重要價值的研究內容。

圖2. (a)鐵磁沿a軸與b軸方向的能量差,氧八面體扭轉角度和電極化隨電場的變化(b)Ti3+陽離子的磁軸通過電場調控翻轉90°的示意圖,(c)Jahn-Teller畸變,氧八面體扭轉角度和電極化隨電場的變化(d)費米面至其以下0.5eV范圍內的電荷密度分布。其中(a)(b)電場沿-b軸方向,即垂直于初始極化方向;(c)(d)電場沿a軸方向,即反平行于初始極化方向。

楊玉榮研究團隊在PbTiO3/LaTiO3等超晶格實現了電場控制強鐵磁性質,同時,利用電場也可控制的Jahn-Teller畸變和軌道序。具體來說,PbTiO3/LaTiO3超晶格不僅僅是具有多鐵性,同時具有強電極化和強鐵磁,還具有Jahn-Teller效應和軌道序。在電場的作用下,這種強鐵磁的方向可以90°翻轉,甚至可以180°完全逆轉。更為令人驚嘆的是,Jahn-Teller畸變和軌道序可以隨著電場方向的改變而發生翻轉。因此,這些新奇的發現將為調控磁性、磁電耦合和強關聯電子特性打開一扇新的大門。因此,當前的研究工作將極大地推動諸多領域(如凝聚物質、材料科學、納米科學和電磁學)的實質性發展,解決在多鐵材料研究領域中的一個突出問題---通過電場控制強磁化。此外,通過調控Jahn-Teller畸變和軌道序來控制電子性質,開辟了電子性質電場控制這一全新領域。

南京大學現代工程與應用科學學院楊玉榮特聘研究員為論文通訊作者,合作單位有University of Arkansas、University of Luxembourg、復旦大學,研究得到了國家自然科學基金委面上、中央高;究蒲袠I務費專項基金等項目的支持。

(x現代工程與應用科學學院 科學技術處)

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