【產(chǎn)通社，11月13日訊】東南大學(xué)（Southeast University）官網(wǎng)消息，物理學(xué)院逯學(xué)曾教授團(tuán)隊(duì)及其合作者，近日成功建立了一套適用于第一類(lèi)多鐵材料的新型磁電耦合理論，從對(duì)稱(chēng)性角度揭示了通過(guò)鐵電極化翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)非易失性線性磁電系數(shù)切換的普適物理機(jī)制，并給出了清晰的材料實(shí)現(xiàn)路徑。相關(guān)成果以“Design and Theory of Switchable Linear Magnetoelectricity by Ferroelectricity in Type-I Multiferroics”（第一類(lèi)多鐵材料中鐵電切換磁電系數(shù)的設(shè)計(jì)理論）為題于2025年10月20日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)磁性的非易失性控制一直是自旋電子學(xué)和多功能器件領(lǐng)域的核心目標(biāo)之一。傳統(tǒng)線性磁電效應(yīng)是易失性的——即磁化強(qiáng)度的反轉(zhuǎn)只能通過(guò)外電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，隨著外電場(chǎng)的移除而消失。盡管過(guò)去幾十年中線性磁電效應(yīng)已被廣泛研究，但鐵電翻轉(zhuǎn)本身可直接反轉(zhuǎn)磁電系數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非易失性磁態(tài)控制的現(xiàn)象卻十分罕見(jiàn)，此前僅偶見(jiàn)于六角錳氧化物和PMN-PT-Terfenol-D異質(zhì)結(jié)等個(gè)別體系，且缺乏普適的理論和材料設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

本研究通過(guò)構(gòu)建含有自旋軌道耦合效應(yīng)的自旋群對(duì)稱(chēng)操作，并考慮極化反轉(zhuǎn)過(guò)程中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用能的不變性，證明了在第一類(lèi)多鐵材料中最多存在兩種截然不同的極化翻轉(zhuǎn)情形。情形一中，可以實(shí)現(xiàn)倒空間中的自旋動(dòng)量鎖定，其磁電耦合效應(yīng)既適用于傳統(tǒng)反鐵磁也適用于交替磁性多鐵材料。情形二中，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)空間中的線性磁電系數(shù)反轉(zhuǎn)，而交替磁性是實(shí)現(xiàn)可切換磁電系數(shù)的關(guān)鍵因素，其內(nèi)在的平移與時(shí)間反演聯(lián)合操作的對(duì)稱(chēng)性破缺與線性磁電效應(yīng)要求吻合。通過(guò)第一性原理計(jì)算和群理論分析，在包括LiNbO?型結(jié)構(gòu)、Ruddlesden-Popper相、雙鈣鈦礦等在內(nèi)的17種交替磁多鐵材料中驗(yàn)證了這一理論的普適性。

該研究不僅提出了一個(gè)更精確的、適用于真實(shí)材料中處理磁電耦合的對(duì)稱(chēng)性框架，更為關(guān)鍵的是，上述兩種情形對(duì)應(yīng)的磁電耦合效應(yīng)在對(duì)稱(chēng)性上是互斥的。也就是說(shuō)，所有具有交替磁性的多鐵材料都具備本征的磁電耦合效應(yīng)——要么通過(guò)情形一、要么通過(guò)情形二來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體取決于材料中哪種極化翻轉(zhuǎn)路徑的能壘更低。并且，團(tuán)隊(duì)還提出了在多鐵材料中能確定性地通過(guò)情形二實(shí)現(xiàn)非易失性電控磁性的策略。通過(guò)定向裁剪材料性能的方法，將交替磁性設(shè)計(jì)為亞鐵磁性，就有望抑制情形一對(duì)應(yīng)的極化翻轉(zhuǎn)方式，該方法也已在多種亞鐵磁多鐵材料中得到驗(yàn)證。

該項(xiàng)研究不僅建立了"鐵電切換磁電系數(shù)"的普適理論，還為從交替磁性多鐵材料出發(fā)設(shè)計(jì)這一效應(yīng)提供了清晰的技術(shù)路徑，為發(fā)展新一代低功耗、高密度非易失性存儲(chǔ)器件提供了新的理論基礎(chǔ)和材料設(shè)計(jì)方向。

本工作第一單位為東南大學(xué)，物理學(xué)院張慧敏博士為第一作者，美國(guó)西北大學(xué)James Rondinelli教授和逯學(xué)曾教授為共同通訊作者。本工作還得到了東南大學(xué)董帥教授、復(fù)旦大學(xué)向紅軍教授和日本京都大學(xué)朱童教授和Hiroshi Kageyama教授的支持；以及江蘇省卓越博士后計(jì)劃、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、東南大學(xué)量子材料與信息器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目和東南大學(xué)新教師啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)支持。查詢(xún)進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官方網(wǎng)站http://news.seu.edu.cn，以及https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/66zq-39yc。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）