这种材料的特殊性质发现了30年，首次登上Nature！

2022-07-18 15:53:50 作者：材料人来源：材料人分享至：

一、导读

如果你反转电脑内存中的一个比特，然后再转换回去，那么，最终实现了初始态的恢复，这是我们熟悉的“0, 1”两态存储机制。作为新型非易失性存储器件的备选材料，磁电多铁材料是极具前景的一类材料体系，由于同时具有铁电和（反）铁磁有序，两种不同序参数之间的相互耦合就会迸发出丰富的物理图像，所谓多态存储就是其应用的典范。不过，我们通常说的“多态”，其实是电、磁两种铁性有序各自“0,1”存储的相互叠加与影响，倒是几乎没人想过，电、磁反转过程本身是否能出现新的“态”。

这一想法，其实并非天方夜谭，这不，有人就发现了这“常态”思维中的“新态”。

二、成果掠影

当然，介绍这项新发现前，还得稍微讲讲多铁材料。首先，这里的“铁”不是铁锅、铁铲的铁，而是指的所谓“铁性”(ferroics)，即在外场反转时出现的某物理量滞后现象。其中，铁电和铁磁是研究较广的两大系统，因为其具有重要的技术价值，当然，如果某种材料同时具有这两种铁性有序，我们就将其称之为磁电多铁材料。早在上世纪50年代，著名的学者朗道在其相变唯象理论中就指出了磁和电存在耦合关系，不过，早期的研究主要集中在理论层面，尽管后来也发现了几例多铁体，但大都性能平平，没激起太多波澜。客观的说，彼时的多铁研究是小众群体，凝聚态物理学者们并没有过多的重视。

2003年，两篇重要文献的问世，改变了这一切，一篇是BiFeO3，另一篇是TbMnO3。其中，作为第Ⅱ类多铁材料的代表，后者的问世带来了不小的轰动，何为第Ⅱ类？

简言之，就是“磁致铁电”型多铁材料，特殊的磁结构诱导了铁电有序。由于其具有较强的磁电耦合效应，因而引发了大量的研究。不过，其实早于2003年的突破性研究，一些具有第Ⅱ类多铁特性的材料早已有报道，例如，今天我们将要介绍的GdMn2O5，作为除了TbMnO3之外的RMn2O5家族的代表性材料，笔者的印象里，有关它多铁性质相关的研究并不多，并且几乎都是延续这一类多铁材料的研究思路，没有太多的亮点。这不，笔者特地在web of science核心合集以“GdMn2O5”为主题词进行检索，果然，一共只有47篇，数量少的惊人。主要的发文期刊如下：

图1 GdMn2O5的发表期刊图示

如图1所示，该材料主要发表在传统凝聚态物理期刊，没有综合性期刊发表过这一材料的研究成果。当我们在Nature出版社检索时，竟然没有一篇曾经发表过的成果提到GdMn2O5，可见，其确实属于学术界的冷材料。如果仔细探究，我们发现，最早报道其磁电效应的文献为一篇发表在1992年的工作：

图2 最早报道GdMn2O5磁电效应的成果

也就是说，30年来，这个多铁家族中被冷落的材料并没有带给物理学界太多新的意外与惊喜。

然而，近日，由意大利技术研究院(Istituto Italiano di Tecnologia)的S. Artyukhin、维也纳工业大学的Andrei Pimenov，罗格斯大学的S.-W. Cheong，格罗宁根大学的Maxim Mostovoy等学者组成的国际研究团队在GdMn2O5单晶中发现了一个非常有趣的现象，即：

听起来确实奇特，那么，究竟何为曲轴般的磁现象，为什么铁电极化出现了4态？

原来，Andrei Pimenov教授本想研究GdMn2O5这种多铁材料在磁场下的“磁控电”，一开始施加了一个强磁场，发现铁电极化改变的不太明显，然后，关闭了磁场，突然间，铁电极化反转了！！！它反转了！紧接着，他们又重复了一遍刚才的操作，发现极化再次反转，回到了初始态。

不过，上述过程必须要在磁场同单晶取向保持10°左右时才能实现，这个10°也称之为神奇的“魔角”！

随后的进一步分析表明：首次发现的4态磁电翻转，其实是作为不同的2态翻转状态之间的拓扑保护边界出现的。

最后，为啥称之为“曲轴”？

来自维也纳工业大学官网的新闻报道中，一张图片给出了答案：

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

在图3的右上角，纸板上的两幅图片直观的展现了所谓“曲轴式”的4态转换过程，上面的图片是发生4态变化的过程，下图是曲轴的照片。

其实，这样一个过程可以理解为线性往复变化的磁场恰如一枚活塞，而晶格中的Mn原子链相当于传动轴，最终驱使自旋序发生了4态转换，从而实现了对铁电极化的调控，其原子机制为一种Mn原子的自旋方向以90°往复反转，另一种Mn原子的自旋则发生了360°转变。

这项新发现以题为“Topologically protected magnetoelectric switching in a multiferroic”发表在综合性期刊Nature上。

三、核心创新点

√ GdMn2O5单晶存在由魔角磁场开闭导致的电极化4态滞回

√ 将磁场的往复运动转换成环形的自旋运动

√ 磁电反转过程与磁场的符号无关，并且无需磁电冷却

√ 产生4态滞回的物理条件为：在高（低）场角下，两个更规则的2态滞回区域间的拓扑差异区域（魔角附近）

四、数据概览

五、成果启示

一种具有4个可能状态的系统，在每次反转中将会实现2比特的存储容量，这同传统意义的”0”或”1”代表的1比特信息不同。在较窄的场强窗口下，平坦的能量转变过程导致序参数发生大的转变，这使得高效率的反转得以实现，这是非常有技术价值的新机制。

多铁材料从2003年开始的复兴到现在的蓬勃发展，尽管有不少突破性的进展，但近些年来，主要的研究侧重于畴的演化，新单相多铁体系的摸索，以及追寻更强磁电耦合体系。但是，磁电反转过程的效率似乎很少研究，这项令人惊讶的成果可能为多铁开启了一个新的大门，笔者预计，很快将有一大批具有类似特性的第Ⅱ类多铁材料得以“重启”，特别是RMn2O5家族的其他成员，应当会成为今年的研究热点。

当然，这项研究真正令人痴迷的地方在于，当你按照常规思路研究一个没太多人研究的老材料时，你得多花些心思在测试技术的小改变上。材料其实没有什么新旧之分，只要结构适合、组分恰当，一样能发现新物理，看到新图像，开辟新思路。

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