《Adv Mater》：这种材料首现！补齐铁性材料对称性破缺的拼图

2022-04-24 16:43:31 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

对称性破缺是物质科学研究范式的基本要素之一，铁性（Ferro）功能材料具有重要且极为广泛的应用价值，铁性序主要包括磁有序、铁电序和铁弹序。磁有序呈现时间反演对称性破缺；铁电序呈现空间反演对称性破缺；在铁弹序中，体系仍保留时间和空间反演对称性；铁涡序（Ferrotoroidicorder）作为一类新的铁性有序将同时破坏时间和空间反演对称性（如图1所示）。

图1、铁涡序（左上）、铁电序（右上）、铁磁序（左下）和铁弹序（右下）等四种基本铁性有序相变及相应的时空对称破缺

作为铁涡序的序参量，铁涡矩是由多个磁矩首尾相接构成，如图2（a-f）所示。虽然磁性和铁电共存的多铁性材料也具有时间和空间反演对称破缺，但它们各自对应自旋和电极化两个序参量，铁涡材料则只有铁涡矩单一序参量。正是由于铁涡序的特殊反演对称性破缺，体系存在较强的磁电耦合效应；同时由于铁涡畴的存在，铁涡序材料在磁电相互调控等信息技术领域具有潜在的应用前景。

图2、由磁矩首尾相接构成铁涡矩（a）沿圆环面流动电流产生铁涡矩；（b-d）分别由6、4和3个磁矩构成的铁涡矩；（e-f）由2个磁矩构成的方向相反的铁涡矩。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室靳常青、望贤成团队专注于高压合成新技术的研发和应用，运用先进的高压极端条件制备技术，近几年设计、研制、发现了多个系列具有准一维自旋链及导电链结构的新材料和新物性。最近该团队在准一维材料研制方面取得重要进展，运用高压制备技术，望贤成副研究员带领张俊博士发现了结构二聚化的准一维自旋链新材料Ba6Cr2S10。相关研究工作近期发表在Advanced Materials上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202106728

实验研究结果表明材料的CrS6自旋链在c轴方向为二聚化结构（图3（a））；长程磁有序温度以下，自旋限制在ab面内，在ab面内呈现铁磁性排列，沿c方向为反铁磁排列（图3（b））。低温下Ba6Cr2S10的磁点群为mm'2‘，该点群不存在时间和空间反演对称性操作，并允许（反）铁磁序、铁电序和铁涡序共存。图3（c）所示的电极化实验数据进一步证实该材料空间反演对称性破缺。从晶体结构、磁结构以及空间群操作的角度看，Ba6Cr2S10中的准一维自旋链完全符合理论预期的一维铁涡自旋链构型。Ba6Cr2S10材料的发现为进一步从理论和实验上研究铁涡性质提供模型（prototype）载体。