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這種材料的特殊性質發現了30年，首次登上Nature！

2022-07-18 15:53:50 作者：材料人來源：材料人分享至：

一、導讀

如果你反轉電腦內存中的一個比特，然后再轉換回去，那么，最終實現了初始態的恢復，這是我們熟悉的“0, 1”兩態存儲機制。作為新型非易失性存儲器件的備選材料，磁電多鐵材料是極具前景的一類材料體系，由于同時具有鐵電和（反）鐵磁有序，兩種不同序參數之間的相互耦合就會迸發出豐富的物理圖像，所謂多態存儲就是其應用的典范。不過，我們通常說的“多態”，其實是電、磁兩種鐵性有序各自“0,1”存儲的相互疊加與影響，倒是幾乎沒人想過，電、磁反轉過程本身是否能出現新的“態”。

這一想法，其實并非天方夜譚，這不，有人就發現了這“常態”思維中的“新態”。

二、成果掠影

當然，介紹這項新發現前，還得稍微講講多鐵材料。首先，這里的“鐵”不是鐵鍋、鐵鏟的鐵，而是指的所謂“鐵性”(ferroics)，即在外場反轉時出現的某物理量滯后現象。其中，鐵電和鐵磁是研究較廣的兩大系統，因為其具有重要的技術價值，當然，如果某種材料同時具有這兩種鐵性有序，我們就將其稱之為磁電多鐵材料。早在上世紀50年代，著名的學者朗道在其相變唯象理論中就指出了磁和電存在耦合關系，不過，早期的研究主要集中在理論層面，盡管后來也發現了幾例多鐵體，但大都性能平平，沒激起太多波瀾。客觀的說，彼時的多鐵研究是小眾群體，凝聚態物理學者們并沒有過多的重視。

2003年，兩篇重要文獻的問世，改變了這一切，一篇是BiFeO3，另一篇是TbMnO3。其中，作為第Ⅱ類多鐵材料的代表，后者的問世帶來了不小的轟動，何為第Ⅱ類？

簡言之，就是“磁致鐵電”型多鐵材料，特殊的磁結構誘導了鐵電有序。由于其具有較強的磁電耦合效應，因而引發了大量的研究。不過，其實早于2003年的突破性研究，一些具有第Ⅱ類多鐵特性的材料早已有報道，例如，今天我們將要介紹的GdMn2O5，作為除了TbMnO3之外的RMn2O5家族的代表性材料，筆者的印象里，有關它多鐵性質相關的研究并不多，并且幾乎都是延續這一類多鐵材料的研究思路，沒有太多的亮點。這不，筆者特地在web of science核心合集以“GdMn2O5”為主題詞進行檢索，果然，一共只有47篇，數量少的驚人。主要的發文期刊如下：

圖1 GdMn2O5的發表期刊圖示

如圖1所示，該材料主要發表在傳統凝聚態物理期刊，沒有綜合性期刊發表過這一材料的研究成果。當我們在Nature出版社檢索時，竟然沒有一篇曾經發表過的成果提到GdMn2O5，可見，其確實屬于學術界的冷材料。如果仔細探究，我們發現，最早報道其磁電效應的文獻為一篇發表在1992年的工作：

圖2 最早報道GdMn2O5磁電效應的成果

也就是說，30年來，這個多鐵家族中被冷落的材料并沒有帶給物理學界太多新的意外與驚喜。

然而，近日，由意大利技術研究院(Istituto Italiano di Tecnologia)的S. Artyukhin、維也納工業大學的Andrei Pimenov，羅格斯大學的S.-W. Cheong，格羅寧根大學的Maxim Mostovoy等學者組成的國際研究團隊在GdMn2O5單晶中發現了一個非常有趣的現象，即：

聽起來確實奇特，那么，究竟何為曲軸般的磁現象，為什么鐵電極化出現了4態？

原來，Andrei Pimenov教授本想研究GdMn2O5這種多鐵材料在磁場下的“磁控電”，一開始施加了一個強磁場，發現鐵電極化改變的不太明顯，然后，關閉了磁場，突然間，鐵電極化反轉了！！！它反轉了！緊接著，他們又重復了一遍剛才的操作，發現極化再次反轉，回到了初始態。

不過，上述過程必須要在磁場同單晶取向保持10°左右時才能實現，這個10°也稱之為神奇的“魔角”！

隨后的進一步分析表明：首次發現的4態磁電翻轉，其實是作為不同的2態翻轉狀態之間的拓撲保護邊界出現的。

最后，為啥稱之為“曲軸”？

來自維也納工業大學官網的新聞報道中，一張圖片給出了答案：

圖3 Janek Wettstein和Andrei Pimenov credit: Vienna University of Technology

在圖3的右上角，紙板上的兩幅圖片直觀的展現了所謂“曲軸式”的4態轉換過程，上面的圖片是發生4態變化的過程，下圖是曲軸的照片。

其實，這樣一個過程可以理解為線性往復變化的磁場恰如一枚活塞，而晶格中的Mn原子鏈相當于傳動軸，最終驅使自旋序發生了4態轉換，從而實現了對鐵電極化的調控，其原子機制為一種Mn原子的自旋方向以90°往復反轉，另一種Mn原子的自旋則發生了360°轉變。

這項新發現以題為“Topologically protected magnetoelectric switching in a multiferroic”發表在綜合性期刊Nature上。

三、核心創新點

√ GdMn2O5單晶存在由魔角磁場開閉導致的電極化4態滯回

√ 將磁場的往復運動轉換成環形的自旋運動

√ 磁電反轉過程與磁場的符號無關，并且無需磁電冷卻

√ 產生4態滯回的物理條件為：在高（低）場角下，兩個更規則的2態滯回區域間的拓撲差異區域（魔角附近）

四、數據概覽

五、成果啟示

一種具有4個可能狀態的系統，在每次反轉中將會實現2比特的存儲容量，這同傳統意義的”0”或”1”代表的1比特信息不同。在較窄的場強窗口下，平坦的能量轉變過程導致序參數發生大的轉變，這使得高效率的反轉得以實現，這是非常有技術價值的新機制。

多鐵材料從2003年開始的復興到現在的蓬勃發展，盡管有不少突破性的進展，但近些年來，主要的研究側重于疇的演化，新單相多鐵體系的摸索，以及追尋更強磁電耦合體系。但是，磁電反轉過程的效率似乎很少研究，這項令人驚訝的成果可能為多鐵開啟了一個新的大門，筆者預計，很快將有一大批具有類似特性的第Ⅱ類多鐵材料得以“重啟”，特別是RMn2O5家族的其他成員，應當會成為今年的研究熱點。

當然，這項研究真正令人癡迷的地方在于，當你按照常規思路研究一個沒太多人研究的老材料時，你得多花些心思在測試技術的小改變上。材料其實沒有什么新舊之分，只要結構適合、組分恰當，一樣能發現新物理，看到新圖像，開辟新思路。

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