前沿科技 中科院科学家在高备大线性磁电效应与

2019-10-16 10:46
和记娱乐 来源:和记h88
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  原标题:前沿科技 中科院科学家在高备大线性磁电效应与铁磁-铁电性材料研究中获进展

  线性磁电效应是指(H)感生电极化(P)或电场(E)感生磁化的现象,感生的电极化与磁化强度可用公式P = αH 或M = αE来表示,其中α定义为线性磁电系数。由于可调控电极化以及电场可调控磁性质,线性磁电效应材料作为一种重要的磁电耦合多功能材料获得了广泛研究。在实际应用中,人们期望材料在较为宽广的温度或范围内具有大的线性磁电系数α。然而,自从1960年在Cr2O3中首次发现线性磁电效应以来,线性磁电材料α的大小往往在20-30 ps/m以内。在一些自旋电极化的多铁性材料中,虽然其α系数的最高值可提高几个量级,但最大值仅发生在磁电相变温度附件,偏离相变临界温度时急剧下降至可忽略量级。如何在较宽的温度/范围内进一步提升材料的线性磁电效应是极具挑战的难题。

  近期,中国科学院科学家团队——物理研究所/凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX6组研究员龙有文团队在高备的白钨矿型氧化物DyCrO4中,率先发现了高达50 ps/m的线性磁电效应,并且该效应在较大的范围内(-3到3 T)保持恒定;更有意思的是,较高可变磁转变,产生大的净磁矩与自发电极化,罕见地实现铁磁-铁电多铁性。

  常压下烧结的DyCrO4结晶为四方锆石型结构,空间群为I41/amd,具有长程铁磁有序,但其磁结构不支持线性磁电效应。当锆石型DyCrO4在700-750 K温度条件下经过6-8 GPa的高压处理后,会转变为另一种四方结构,即具有I41/a空间群的白钨矿相。该结构相变导致10%左右的体积坍缩,属于一级不可逆相变。磁化率与中子衍射表明高压白钨矿DyCrO4具有长程反铁磁有序,且Dy3+离子与Cr5+离子同时参与反铁磁相互作用,磁矩沿着晶格b轴形成共线型反铁磁排列,相应的磁点群为2/m。磁对称性分析该磁点群具有非零的磁电张量,因而可导致线性磁电效应的产生。实验上,当在零测试介电和铁电极化时,探测不到这些物理量的反常改变。然而,一旦引入后,可观察到尖锐的介电峰,同时伴随铁电极化的出现,且电极化的大小与所加强度成正比关系,表明可感生电极化,白钨矿DyCrO4的线性磁电效应。在固定温度下测试电极化随变化关系时,可明显观察到P与H的线 T范围内保持恒定。另一方面,当去掉改用外加电场作为激励时,可观察到电场磁化强度的改变,且的磁化强度与所加电场保持正比关系,从而实现逆线性磁电效应。此外,较高可白钨矿DyCrO4的变磁转变(临界约为 3.1 T),使其原本共线排列的反铁磁结构发生偏转,导致大净磁矩(7 μ/f.u.)的产生,使材料呈现铁磁性质。依赖的中子衍射表明,4.3 T时铁磁成分占比接近65%。在临界以上,新的磁结构要么由Dy3+离子沿外加方向的倾斜所导致,要么由Dy3+与Cr5+这两种磁性离子的共同倾斜导致。然而,不管是哪种类型的倾斜,都将把磁点群由低场时的2/m转变为高场时的m。显然,新的磁点群是一个极化磁点群,可以打破空间反演对称性,允许自发铁电极化的产生。因而,DyCrO4在较高下不仅展示了具有大净磁矩的铁磁行为,同时也具有自发电极化,在单相材料中罕见地实现了铁磁-铁电多铁性。

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