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)蘊(yùn)含著豐富的基礎(chǔ)物理問題，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)的研究熱點(diǎn)之一。多鐵性材料分為復(fù)合材料和單相材料兩類，復(fù)合材料的磁電耦合是利用界面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的間接耦合，單相材料的磁電耦合是本征的體效應(yīng)。人們已發(fā)現(xiàn)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(yīng)（磁場(chǎng)控制電極化或者電場(chǎng)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(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)成為該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）研究員孫陽等在一種Y-型六角鐵氧體Ba0.4Sr1.6Mg2Fe12O22中實(shí)現(xiàn)了巨大的磁電耦合效應(yīng)，獲得了高達(dá)33000ps/m的正磁電耦合系數(shù)和32000ps/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)的新世界記錄。相關(guān)研究成果發(fā)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(jié)構(gòu)單元的不同，可進(jìn)一步劃分為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)一些特定的螺旋磁結(jié)構(gòu)，非共線的自旋之間可以通過逆Dzyaloshinskii-Moriya相互作用產(chǎn)生宏觀電極化，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)。在以往研究中，已在一些六角鐵氧體中觀察到較強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)，但是，如何在六角鐵氧體中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)巨大的磁電耦合效應(yīng)，缺乏清晰的認(rèn)識(shí)和思路。為理解Y-型六角鐵氧體Ba0.4Sr1.6Mg2Fe12O22中巨磁電耦合效應(yīng)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(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(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科研人員合作，利用中子散射技術(shù)詳細(xì)研究了這一系列單晶樣品的磁結(jié)構(gòu)，給出了Ba2-xSrxMg2Fe12O22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。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)生的電極化也會(huì)隨之發(fā)生180度反向。通過元素替換調(diào)控磁各向異性使這一相變發(fā)生在零磁場(chǎng)附近，導(dǎo)致巨大的磁電耦合系數(shù)。該項(xiàng)研究獲得了迄今為止單相材料中最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。

　　研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部和中科院項(xiàng)目的支持。

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圖1.六角鐵氧體Ba2-xSrxMg2Fe12O22的晶體結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)。

圖2.六角鐵氧體Ba2-xSrxMg2Fe12O22在10K下的正磁電耦合效應(yīng)。

圖3.六角鐵氧體Ba2-xSrxMg2Fe12O22(x = 1.6)在10K下的逆磁電耦合效應(yīng)。

圖4.六角鐵氧體中自旋錐對(duì)稱性與磁電耦合系數(shù)的關(guān)系。