《Adv Mater》：這種材料首現(xiàn)！補(bǔ)齊鐵性材料對(duì)稱性破缺的拼圖
2022-04-24 16:43:31
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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對(duì)稱性破缺是物質(zhì)科學(xué)研究范式的基本要素之一，鐵性（Ferro） 功能材料具有重要且極為廣泛的應(yīng)用價(jià)值，鐵性序主要包括磁有序、鐵電序和鐵彈序。磁有序呈現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺；鐵電序呈現(xiàn)空間反演對(duì)稱性破缺；在鐵彈序中，體系仍保留時(shí)間和空間反演對(duì)稱性；鐵渦序（Ferrotoroidicorder）作為一類新的鐵性有序?qū)⑼瑫r(shí)破壞時(shí)間和空間反演對(duì)稱性（如圖1所示）。
圖1、鐵渦序（左上）、鐵電序（右上）、鐵磁序（左下）和鐵彈序（右下）等四種基本鐵性有序相變及相應(yīng)的時(shí)空對(duì)稱破缺
作為鐵渦序的序參量，鐵渦矩是由多個(gè)磁矩首尾相接構(gòu)成，如圖2（a-f）所示。雖然磁性和鐵電共存的多鐵性材料也具有時(shí)間和空間反演對(duì)稱破缺，但它們各自對(duì)應(yīng)自旋和電極化兩個(gè)序參量，鐵渦材料則只有鐵渦矩單一序參量。正是由于鐵渦序的特殊反演對(duì)稱性破缺，體系存在較強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)；同時(shí)由于鐵渦疇的存在，鐵渦序材料在磁電相互調(diào)控等信息技術(shù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
圖2、由磁矩首尾相接構(gòu)成鐵渦矩（a）沿圓環(huán)面流動(dòng)電流產(chǎn)生鐵渦矩；（b-d）分別由6、4和3個(gè)磁矩構(gòu)成的鐵渦矩；（e-f）由2個(gè)磁矩構(gòu)成的方向相反的鐵渦矩。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室靳常青、望賢成團(tuán)隊(duì)專注于高壓合成新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，運(yùn)用先進(jìn)的高壓極端條件制備技術(shù)，近幾年設(shè)計(jì)、研制、發(fā)現(xiàn)了多個(gè)系列具有準(zhǔn)一維自旋鏈及導(dǎo)電鏈結(jié)構(gòu)的新材料和新物性。最近該團(tuán)隊(duì)在準(zhǔn)一維材料研制方面取得重要進(jìn)展，運(yùn)用高壓制備技術(shù)，望賢成副研究員帶領(lǐng)張俊博士發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)二聚化的準(zhǔn)一維自旋鏈新材料Ba6Cr2S10。相關(guān)研究工作近期發(fā)表在Advanced Materials上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202106728
實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明材料的CrS6自旋鏈在c軸方向?yàn)槎刍Y(jié)構(gòu)（圖3（a））；長程磁有序溫度以下，自旋限制在ab面內(nèi)，在ab面內(nèi)呈現(xiàn)鐵磁性排列，沿c方向?yàn)榉磋F磁排列（圖3（b））。低溫下Ba6Cr2S10的磁點(diǎn)群為mm'2‘，該點(diǎn)群不存在時(shí)間和空間反演對(duì)稱性操作，并允許（反）鐵磁序、鐵電序和鐵渦序共存。圖3（c）所示的電極化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)該材料空間反演對(duì)稱性破缺。從晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)以及空間群操作的角度看，Ba6Cr2S10中的準(zhǔn)一維自旋鏈完全符合理論預(yù)期的一維鐵渦自旋鏈構(gòu)型。Ba6Cr2S10材料的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步從理論和實(shí)驗(yàn)上研究鐵渦性質(zhì)提供模型（prototype）載體。
圖3、（a）Ba6Cr2S10晶體結(jié)構(gòu)中二聚化的CrS6自旋鏈。（b）Ba6Cr2S10磁結(jié)構(gòu)。（c）電極化實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。
以上研究得到物理所禹日成和沈西在材料的二聚化顯微結(jié)構(gòu)、龍有文在鐵電性質(zhì)、英國倫敦大學(xué)W.Wu博士和盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的D. T. Adroja博士等人在材料的磁結(jié)構(gòu)、德國馬克斯普朗克物理化學(xué)所的Z.W.Hu教授等人在X光吸收譜研究等方面的密切合作。該研究得到基金委和科技部項(xiàng)目的資助。
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標(biāo)簽： 對(duì)稱性破缺, 鐵性功能材料, 鐵渦序
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