磁致多铁性物理与新材料设计.docx

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磁致多铁性物理与新材料设计

董帅1,向红军2

(1.东南大学物理系，南京，211189；

2.复旦大学物理系，物质计算科学教育部重点实验室，应用表面物理国家重点实验室，上海,200433)

摘要：磁致多铁材料是多铁性材料大家族中的后起之秀，其特色在于其铁电性起源于特定的磁序，因此其铁电与磁性紧密关联，具有本征的强磁电耦合效应。目前对磁致多铁性的研究以基础物理为主。随着研究者对磁致多铁现象背后物理机制认识的不断深入，不断有新的磁致多铁材料被设计、预言、发现，其性能也在不断地提高中。本文将简要介绍磁致多铁材料所涉及的基本物理机制，并根据这些已知的规律，回顾一下近些年寻找和设计新的磁致多铁材料的经验。

关键词：磁致多铁；Dzyaloshinskii-Moriya作用；交换收缩；磁序诱导铁电性统一极化模型；第一性原理计算

中图分类号：O469

PhysicsandDesignofMagneticMultiferroics

ShuaiDong1,HongjunXiang2

(1.DepartmentofPhysics,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China;

2.DepartmentofPhysicsandKeyLaboratoryofComputationalPhysicalSciences(Ministryof

Education),FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Abstract:Magneticmultiferroicsbelongtoanimportantbranchofthemultiferroicsbigfamily.Becausetheferroelectricpolarizationsaredirectlyinducedbyparticularmagneticorders,magneticmultiferroicsownsintrinsicstrongmagnetoelectriccouplings.Currentresearchinterestsonmagneticmultiferroicsaremostlyfocusedontheirfundamentalphysics.Benefitedfromtheresearchprogressofphysicalmechanisms,moreandmorenewmagneticmultiferroicmaterialshavebeendesigned,predicted,anddiscovered,whichpushforwardthemagnetoelectricperformances.Inthiscolloquium,wewillbrieflyintroducethephysicalmechanismsinvolvedinmagneticmultiferroics,aswellastheexperiencetodesignandsearchfornewmagneticmultiferroics.

Keywords:magneticmultiferroics;Dzyaloshinskii-Moriyainteraction;exchangestriction;Unifiedmodelofferroelectricityinducedbyspinorder;first-principlescalculation

0引言

从2003年BiFeO3薄膜［1］和TbMnO3单晶［2］揭开序幕开始，多铁性材料和物理的研究进入了蓬勃发展时期，跻身成为关联电子大家庭中又一重要分支。但有别于其它著名分支，如高温超导是铜基、铁基化合物，庞磁电阻是锰基氧化物，多铁性材料覆盖范围非常广泛，无论是涉及的过渡金属离子(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu化合物都有多铁性材料)，抑或涉及的晶格结构(钙钛矿结构、尖晶石结构、烧绿石结构等等)，乃至丰富现象背后的物理机制，都非常纷繁复杂，这既反映了关联电子体系的复杂性，又体现了物理规律的普适性［3,4,5,6,7］

基金项目：国家自然科学基金11104038)，国家重大科学研究计划(2011CB922101,2012CB921400)，教育部百篇优秀博士论文基金