電和磁因物理學而不可分割地聯(lián)系在一起，為19世紀后期工業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在原子和電子水平上的研究表明，電和磁的耦合可以發(fā)生在多鐵性材料中。多鐵性材料有希望被用來制造將電子邏輯與磁記憶相結(jié)合的計算機，這項技術(shù)需要材料磁化的電控制或電極極化的磁控制，然而這很難實現(xiàn)。
近年來，多鐵性材料領(lǐng)域的研究進展使人們對磁電耦合的微觀機理有了更深入的認識。當材料中極性離子的位移導致自發(fā)電極化時，就會發(fā)生傳統(tǒng)的鐵電性。在“電子鐵電”材料中，極化是由電子之間的相互作用引起的。與此同時，由于鐵電和磁階的對稱性不同，磁電開關(guān)可以通過電場逆轉(zhuǎn)磁化方向或通過外加磁場翻轉(zhuǎn)電極性，但由于對其了解較少，實現(xiàn)起來也很困難。最簡單的磁電效應(yīng)發(fā)生在鉻(III)氧化物等材料中，其中磁化強度和電極化通過反鐵磁(AFM)自旋有序線性耦合，打破了時間反轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)對稱性。電子鐵電可以在RMn2O5形式的化合物中發(fā)展，其中R代表稀土元素，例如釓 (Gd)與氧化錳配對。與材料中的Mn4+和Mn3+離子相關(guān)的電子發(fā)生反鐵磁相互作用，這意味著它們的固有角動量（自旋）是對齊的，但是以反平行的方式。磁排序?qū)е略游恢冒l(fā)生微小位移，從而產(chǎn)生凈電極化。
關(guān)鍵問題
磁的電控制和鐵電的磁控制可以提高磁存儲器和數(shù)據(jù)處理設(shè)備的能量效率。但要通過鐵電和磁級之間的交叉耦合實現(xiàn)磁電和多鐵性材料仍存在以下關(guān)鍵問題：
1. 必要的磁電轉(zhuǎn)換很難實現(xiàn)：鐵電和磁階的對稱特性不同，磁電轉(zhuǎn)換（允許用電場反轉(zhuǎn)磁化方向或用外加磁場反轉(zhuǎn)電極化方向）鮮為人知。
2. 需要磁自旋和電荷自由度耦合且發(fā)生原子位移：材料中極性離子的位移導致自發(fā)電極化時，會發(fā)生傳統(tǒng)的鐵電性。而在“電子鐵電”材料中，需要有磁排序?qū)е略游恢冒l(fā)生微小位移，從而產(chǎn)生凈電極化。
圖 一種四態(tài)電極化開關(guān)
新思路
有鑒于此，意大利理工學院S. Artyukhin等人報道了一種由材料拓撲驅(qū)動的用于切換電極化的磁場感應(yīng)機制。研究人員展示了磁場的應(yīng)用和移除會反轉(zhuǎn)多鐵性GdMn2O5的電極化，需要兩個周期使體系恢復(fù)到原始構(gòu)型。在這種磁滯回線中，系統(tǒng)會經(jīng)歷具有不同磁配置的四種狀態(tài)，其中一半的自旋以大約90°的增量進行單向全圓旋轉(zhuǎn)。因此，GdMn2O5充當磁性曲軸，將磁場的來回變化轉(zhuǎn)換為圓周自旋運動。這種特殊的四態(tài)磁電開關(guān)作為不同兩態(tài)開關(guān)機制之間的拓撲保護邊界出現(xiàn)，該研究結(jié)果建立了鐵質(zhì)材料中拓撲保護開關(guān)現(xiàn)象的范式。
技術(shù)方案：
1、發(fā)現(xiàn)了磁場強度驅(qū)動電極化反轉(zhuǎn)
作者測量了GdMn2O5單晶在不同強度和方向的磁場以及不同溫度下的磁化強度和電極化變化。發(fā)現(xiàn)在低于5K的溫度下，可以通過增加和減少磁場強度來驅(qū)動通過四種不同的磁配置的轉(zhuǎn)變。隨著電場的增加，電極化沒有明顯變化。然而，當作者降低磁場強度時，會引起電極化反轉(zhuǎn)。
2、解析磁場驅(qū)動極化的開關(guān)
作者發(fā)現(xiàn)磁場驅(qū)動電極化反轉(zhuǎn)效應(yīng)只能在相對于單晶方向大約10°的磁場角范圍內(nèi)（魔角）觀察到。在小于魔角的角度，系統(tǒng)在兩種狀態(tài)之間切換，引發(fā)極化變化；在大于魔角的角度，有一個不影響極化的雙態(tài)開關(guān)。證明了這兩種極端情況的存在對于允許四態(tài)切換至關(guān)重要。該團隊認為這種效應(yīng)類似于曲軸，將充當活塞的磁場的線性變化轉(zhuǎn)換為充當驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)。
3、探究溫度對磁化過程的影響
作者表明在高溫下GdMn2O5的自旋指向隨機方向，不斷變化，沒有凈磁序。當樣品冷卻到臨界溫度（幾十K）以下時，錳自旋首先排列，然后是釓自旋，它們僅在溫度降至幾開爾文時才會對齊。這種差異使磁化過程變得復(fù)雜，因為釓離子會干擾錳離子之間的相互作用以及與外部場的相互作用，從而誘導錳自旋沿其排列的優(yōu)選軸。在高溫下，熱波動破壞了釓離子之間的排序，切換行為消失。
4、通過模型補充測量結(jié)果
作者用最小模型補充了測量結(jié)果，解釋了四態(tài)循環(huán)如何根據(jù)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，且探究了如何估計合適值。
技術(shù)意義：
1. 闡明了兩態(tài)和四態(tài)磁電開關(guān)的區(qū)別
本文的工作相比較40年前引入的兩態(tài)磁電開關(guān)，表明了兩態(tài)和四態(tài)磁電開關(guān)具有不同的“繞組數(shù)”。二態(tài)開關(guān)的繞組數(shù)為0，而四態(tài)開關(guān)的繞組數(shù)為1。在本系統(tǒng)中，非零繞組數(shù)意味著只要存在高低角情況，它們之間總是存在一定的角度范圍，使得系統(tǒng)能夠兩種狀態(tài)之間移動，從而創(chuàng)建一個四態(tài)開關(guān)。
2. 推動了磁電耦合系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)和篩選，啟發(fā)基于單晶多鐵性的電子設(shè)備研發(fā)
作者證實了強大的單向自旋源于極其平坦的能量景觀的不對稱演變，可以通過施加的外場的角度和大小進行調(diào)整。這為發(fā)現(xiàn)類似系統(tǒng)提供了依據(jù)，通過篩選那些表現(xiàn)出兩個不同的相鄰切換機制的系統(tǒng)，從而確保新的拓撲機制作為它們的邊界存在，這將啟發(fā)其他基于單晶多鐵性的電子設(shè)備。
技術(shù)細節(jié)
電極化隨外部磁場變化結(jié)果
本工作以不同的磁場角度進行了多次實驗，結(jié)果表明這種傾斜對鐵電極化磁滯曲線有顯著影響。對于高于5K的溫度，在磁場H=6 T周圍觀察到場誘導的重新定向轉(zhuǎn)變。在5K以下，5T場附近發(fā)現(xiàn)一個獨特的磁滯回線。在低溫下，該循環(huán)具有顯著的確定性四態(tài)循環(huán)，具有極化反轉(zhuǎn)。傾斜磁場的系統(tǒng)實驗表明，如果磁場靠近a軸在±6°內(nèi)或在 [?11°, +11°]區(qū)間之外，則無法觀察到四態(tài)序列。
圖 跨臨界角和臨界溫度的電極化回路演變
模型探究
為了理解這種磁電轉(zhuǎn)化行為，作者使用兩個相互作用的Mn鏈和每個晶胞八個Gd自旋的模型進行了數(shù)值模擬，耦合到外部磁場和電場。根據(jù)體系特點構(gòu)建了相關(guān)模型。模擬選擇模型參數(shù)以盡可能接近地再現(xiàn)四態(tài)切換的實驗磁滯回線，這導致了一個相對較窄的魔角區(qū)域，該區(qū)域的確切位置和范圍可以通過改變模型參數(shù)來調(diào)整。模型重現(xiàn)了在魔角處實驗觀察到的四態(tài)切換以及狀態(tài)之間的切換。
圖 GdMn2O5的磁性晶胞
圖 磁電開關(guān)的模擬
魔角處的四態(tài)切換
作者深入地討論魔角處特殊的四態(tài)切換，分別探究了不同場下Gd和Mn的自旋排列，證實了極化和軟磁模式之間的耦合實現(xiàn)了對磁配置進行一定程度的電控制。
圖 磁電開關(guān)方式
系統(tǒng)不同狀態(tài)下的演變
通過比較軌跡描述系統(tǒng)的場依賴狀態(tài)以研究系統(tǒng)在不同狀態(tài)下演化，這解析了四態(tài)開關(guān)和兩態(tài)開關(guān)的區(qū)別。在兩態(tài)切換機制中，Q=0，而對于四態(tài)切換, Q=1。這意味著只要材料中存在兩個極值狀態(tài)，在魔角附近總會存在邊界區(qū)域，這為四態(tài)開關(guān)的創(chuàng)建奠定了理論依據(jù)。
展望
曲軸切換的物理特性無疑會激發(fā)進一步的研究，隨著本工作結(jié)果內(nèi)在機制的更深入了解，甚至有可能在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)實際設(shè)備的研發(fā)。使用光學浮動法可能可以獲得高質(zhì)量的單晶樣品，基于此可以探索與RMn2O5相關(guān)的材料以挖掘它們強磁電耦合的傾向——有希望在室溫下實現(xiàn)磁電耦合。
