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多铁性材料，最新《Nature》！

2022-07-18 14:32:59 0 287

NO.01

研究背景

永久存储技术的终极目标是通过有效手段控制存储介质中的稳定鲁棒状态。磁电材料和多铁材料通过利用铁电序和磁序之间的交叉耦合，为数字信息的处理提供了一条有前途的途径。多铁性学领域的最新进展使人们对磁电耦合的微观机制有了更深入的理解。同时，由于铁电阶和磁阶的对称性不同，人们对磁电开关知之甚少，更别说实现应用。磁电开关允许使用电场反转磁化方向，或使用外加磁场翻转极化，需要的不仅仅是自旋和电荷自由度之间的耦合，所以很难实现。

NO.02

研究成果

近日，意大利技术研究院S. Artyukhin等人报道了施加和随后去除磁场会反转多铁性GdMn₂O₅的极化，需要两次循环才能将系统恢复到原始配置。在这个不寻常的磁滞回线中，系统出现了四种具有不同磁配置的状态（两种在低场，两种在高场）。这导致了三种不同的切换模式，其中一种显示了拓扑保护行为，当磁场上下扫两次时，系统在四种磁配置之间单向切换。当极化反转两次时，一半的自旋在场扫描期间以大约90°的增量单向整周旋转。因此，GdMn₂O₅充当磁性曲轴，将磁场的线性变化转化为旋转运动。它还充当二进制计数器，计算模为2的场脉冲数，高极化和低极化分别表示0和1。此外，这种特殊四状态的磁电开关作为不同两态开关机制之间的拓扑保护边界出现。其特征是非零整数绕组数，作为拓扑不变量。该研究建立了铁材料中拓扑保护开关现象的范例。相关研究工作以“Topologically protected magnetoelectric switching in a multiferroic”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

NO.03

图文速递

研究者使用两条相互作用的Mn链（图1中的青色线）和每单位细胞八个Gd自旋的模型进行了数值模拟，并与外部磁场和电场耦合。结果表明，GdMn₂O₅具有中心对称晶格，具有Pbam(55)空间群对称性，八面体配位的Mn⁴⁺和金字塔配位的Mn³⁺沿着a轴形成Z字链。由于RMn₂O₅系统中主要的AFM链内交换相互作用，假设在所有外加磁场下，相邻的Mn自旋在每个链内基本上保持反平行。

图1. GdMn₂O₅的磁性晶格单元

图2显示了GdMn₂O₅中的极化随外磁场的变化。在之前的研究中，仅应用了平行于a轴的场，本研究进行了多个实验，其中场在a–b平面中以不同角度（图2）偏离a轴。这种倾斜对铁电极化滞回曲线有显著影响。在温度高于5 K，磁场H=6 T周围观察到磁场诱导的再取向转变，这会产生一个小的磁滞回线，与之前的Ha结果一致。在5K以下，对于5T左右的磁场，会出现异常的磁滞回线，如图2b、d、f所示。在低温下，该环路的特点是具有显著的确定性四态循环和极化反转。随着磁场增加，从状态1到状态2或从状态3到状态4，不会对极化产生太大的改变。然而，减小的磁场将状态2转换为状态3，状态4转换为状态1，从而导致极化反转。倾斜磁场的系统实验表明，如果磁场在±6°范围内靠近a轴或在[−11°，+11°]间隔外，则不会观察到四态序列，其中四个分支中只有两个循环通过，即1→ 2或1→ 4（图2a，c）。在两个魔角±φ*_H周围观察到新型磁电开关，其中φ*_H≈10°（图2b，d）。值得注意的是，魔角大致匹配其中一条AFM链中零场中Mn和Gd自旋的方向。

图2. 极化回路在临界角和临界温度上的演变

模拟结果如图3所示，其中选择的模型参数，以尽可能接近地再现四态开关的实验磁滞回线。这导致了相对狭窄的魔角区域，但是，由于该区域本身非常强大，可以通过改变模型参数来调整区域的准确位置和范围。该模型再现了实验上观察到的在魔角下的四态切换，即φ*_H=10°（图3b），以及在φ>φ*_H的极化接近值的状态1和2之间的切换（图3c）。

图3. 磁电开关模拟

研究者深入讨论了魔角下的特殊四态开关，四种状态的Mn和Gd自旋配置显示在图4的右绿色框中。在低场状态1和3中，Mn自旋靠近两条链的各向异性轴排列，Gd自旋通常与最近的Mn自旋反平行排列，它们与之强耦合（图1中的v1）。这导致Gd旋转的顺序大致为左-左-右-右。在高场态2和4中，由于塞曼相互作用，Mn自旋几乎与磁场垂直。Gd自旋同样主要受AFM与最近的Mn离子交换的影响，同时略微向外磁场倾斜。这种倾斜是导致Mn自旋旋转的特殊单向开关行为的因素之一。

图4. 磁电开关状态

NO.04

结论与展望

强大的单向自旋旋转源自于极其平坦能源分布的不对称演变，可以通过外加外场的角度和大小进行调整。该行为可以在具有单个AFM链的最小模型内再现。该研究为搜索和发现其他此类系统打开了大门，通过筛选表现出两种不同相邻切换机制的系统，从而确保新的拓扑区域作为其边界存在。GdMn₂O₅的双磁滞回线将其转换为磁场脉冲的电二元计数器，因此铁电极化使脉冲数模为2。希望本项研究可以激励其他基于单晶多铁性的电子设备。最后，能量分布的平坦性导致在窄场强窗口中，序参数变化较大，从而可以实现高效切换。

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文献

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04851-6

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