【儀表網 研發快訊】近日，《物理評論快報》(Physical Review Letters)刊發了國家脈沖強磁場科學中心多重極端磁性團隊題為“Observation of Universal Topological Magnetoelectric Switching in Multiferroic GdMn2O5”(在多鐵性材料GdMn2O5中觀測到普遍的拓撲磁電開關效應)的合作研究論文。該成果是依托我校脈沖強磁場設施磁特性實驗平臺，由物理學院陸成亮教授，強磁場中心王俊峰研究員、李亮教授，以及東南大學董帥教授組成的聯合研究團隊取得的最新研究進展。我校為論文第一完成單位，陸成亮、王俊峰和董帥為論文共同通訊作者，強磁場中心博士后王好文和東南大學博士生王凡為論文共同第一作者。強磁場中心博士后常鈺婷、副教授楊明等參與了實驗測量和數據分析的工作。
 

　　圖1(a)GdMn2O5的晶體結構和磁結構示意圖：Mn磁矩形成兩條反鐵磁鏈L1和L2，相對a軸傾斜±10°，S1-S8表示Gd磁矩；(b) 磁場沿魔角連續掃場兩次，反鐵磁鏈L1的磁矩順時針轉動一周，L2的磁矩在平衡位置附近作擺動，系統依次經歷狀態1-2-3-4-1；(c) 對應電極化出現兩次反轉：P1=−P3,P2=−P4。過程中拓撲繞數Q=1。
 

　　磁電研究迄今已有60多年歷史，其進程大致分為兩個階段：前50年以線性磁電耦合為主，近20年集中在高階磁電方面，特別是微觀機制研究成果突出。在此過程中，拓撲物理飛速發展，與許多研究方向交叉并取得了系列顯著成果，例如拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導體、量子自旋霍爾效應、量子反常霍爾效應以及馬約拉納費米子等，但它與磁電交叉極少，僅在少數幾個磁電體系中發現磁性斯格明子等。實際上，作為數學概念的拓撲對物理行為描述并不僅限于動量空間中電子、聲子、光子的能帶，隨著拓撲和鐵性系統的整合，實空間的磁、電偶極子也能夠顯示出拓撲織構。
 

　　最近，拓撲物理出現在某些具有拓撲繞數行為特殊磁電過程的多鐵性材料中，這將拓撲物理與磁電物理相結合，開啟了磁電研究的第三個階段。例如，用拓撲非定向羅馬面來描述四重鈣鈦礦TbMn3Cr4O12磁誘導電極化強度的三維軌跡；在多鐵性材料GdMn2O5中發現了僅由磁場驅動的拓撲保護磁電開關行為，具體表現為當磁場沿魔角連續掃場2次時，其中一條反鐵磁鏈上的磁矩旋轉一周，繞數為1，對應電極化反轉兩次，該磁電過程對應了微觀自旋的拓撲繞數特征(圖1)。從實際應用角度講，拓撲磁電開關具有特定明確的軌跡，也就意味著人們能夠精確控制磁、電偶極矩的狀態，使它具有重要的科學研究和潛在的應用價值。然而，多鐵性材料因磁相互作用會存在很多自由能極小值，導致磁電耦合翻轉等具有很大的隨機性，如何精確地控制磁電態是該領域的一大難題。雖然拓撲磁電開關可以解決此問題，但通常情況下它是非常特殊和脆弱的，例如上述具有羅馬面拓撲磁電的TbMn3Cr4O12極其依賴磁場的旋轉來拽動自旋演變，而GdMn2O5則受限于某些特殊磁場取向和溫度等參量。因此，迫切需要找到一種有效途徑來獲得更寬工作溫區、不受磁場取向限制以及適用于其他材料的拓撲磁電。
 

　　圍繞于此，合作研究團隊提出了一種獲取拓撲保護磁電開關的新方案。首先，對GdMn2O5單晶中的拓撲磁電開關作進一步拓展研究，即利用電場E設計GdMn2O5的勢能面，從而產生類似于僅由磁場驅動拓撲保護磁電開關的效果，其優勢是可以解除相關磁電態的簡并度。實驗上，在H-E的作用下，GdMn2O5的能量面可以任意調整，磁場H不再需要沿著特定的方向，溫度T也可持續到鐵電居里溫度點附近(33 K)，進一步拓展了獲得拓撲磁電開關的窗口。除此之外，通過理論模擬的導向，在DyMn2O5和ErMn2O5中也發現了類似于GdMn2O5的拓撲磁電開關效應，研究表明4f電子的磁矩對于降低能量勢壘起到至關重要的作用。
 

　　圖2(a-b)電場作用下，H//a(非魔角)也能實現拓撲磁電過程 1-4-3-2-1；(c-d)在最大磁場處反轉電場E，則可以獲得拓撲磁電過程 1-2-3-4-1，與單純磁場沿魔角所產生的拓撲磁電軌跡一致；(e)設置不同掃描最高磁場Hmax時，態1和態3的變化量ΔP與H的關系曲線，插圖是不同溫度下ΔP與溫度T的關系曲線；(f)磁場H在ab面內沿著不同角度，ΔP與θ的關系曲線(左軸)和臨界磁場Hc與θ的關系曲線(右軸)。
 

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金、湖北省自然科學基金、湖北省博士后創新研究崗位、強磁場學科交叉基金等項目支持。