(通訊員 常鈺婷)7月18日，《物理評論B》(Physical Review B)在線發(fā)表了國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心磁學(xué)團(tuán)隊的最新研究成果，論文題為“High-field induced successive metamagnetic transitions and magnetoelectric effect in multiferroic SmMn2O5 single crystals”(多鐵性SmMn2O5單晶中強(qiáng)磁場誘導(dǎo)的連續(xù)磁相變和磁電效應(yīng))的研究論文。中心博士生李甜為論文第一作者，博士后常鈺婷為論文通訊作者，王俊峰研究員指導(dǎo)了該項工作，博士后王好文、工程師董超、楊明副教授和陸成亮教授共同參與了實(shí)驗測量和數(shù)據(jù)分析工作。
 

　　稀土錳氧化物RMn2O5(R為稀土元素、Y或Bi)是一類典型的磁致多鐵材料，具有豐富的關(guān)聯(lián)物理現(xiàn)象，如強(qiáng)磁電耦合、鐵電極化翻轉(zhuǎn)、巨磁電容效應(yīng)及拓?fù)浯烹娦?yīng)等，在探索多鐵性及其微觀機(jī)制方面具有重要研究價值。材料的物性與稀土離子R的磁性及Mn-R、Mn-Mn間復(fù)雜的磁交換作用密切相關(guān)。該體系通常在ab面內(nèi)呈準(zhǔn)共線反鐵磁序，而SmMn2O5因其獨(dú)特的磁結(jié)構(gòu)，即Sm與Mn離子的磁矩沿c軸呈共線反鐵磁排列，為研究各向異性磁電耦合和磁電調(diào)控機(jī)制提供了獨(dú)特平臺。
 

　　在本項研究中，研究團(tuán)隊依托脈沖強(qiáng)磁場設(shè)施的磁特性實(shí)驗平臺，系統(tǒng)開展了SmMn2O5單晶在不同方向磁場作用下的磁化、磁致伸縮和電極化行為測量。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，該材料具有高度磁各向異性的磁響應(yīng)特征：當(dāng)磁場施加在ab面時，即使在高達(dá)60T的磁場下亦未觀察到明顯的磁相變。而當(dāng)磁場沿c軸方向時，磁化曲線在H1~22.2T、H2~48.5T和H3~55.8T處出現(xiàn)多級磁相變，表現(xiàn)出典型的連續(xù)躍遷特征。此外，在溫度高于7K時，材料在更高的臨界場H4處還會發(fā)生另一獨(dú)立的磁相變。磁致伸縮實(shí)驗進(jìn)一步證實(shí)了這些磁相變過程：樣品沿c軸發(fā)生多階伸長，揭示其磁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)磁場下的演變規(guī)律。更為關(guān)鍵的是，這些磁相變伴隨著鐵電極化的顯著變化，表明SmMn2O5中存在很強(qiáng)的磁電耦合效應(yīng)。在特定磁場范圍內(nèi)，電極化方向相較低磁場下的鐵電相發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)，揭示出反鐵磁Mn鏈在磁場作用下的調(diào)制在極化翻轉(zhuǎn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
 

 

圖為SmMn2O5的強(qiáng)磁場磁化、磁致伸縮和電極化變化曲線
 

　　基于實(shí)驗結(jié)果，研究團(tuán)隊繪制了SmMn2O5的磁電相圖，展現(xiàn)出該材料在強(qiáng)磁場作用下高度各向異性的磁電響應(yīng)行為。進(jìn)一步，結(jié)合材料晶體結(jié)構(gòu)、共線磁結(jié)構(gòu)特征及主要的磁相互作用(包括3d-3d與3d-4f的耦合)，討論了Mn3+-Sm3+和Mn3+-Mn4+自旋對在強(qiáng)磁場作用下出現(xiàn)的不同響應(yīng)行為，以此構(gòu)建了描述SmMn2O5磁電耦合機(jī)制的物理模型，并揭示交換伸縮機(jī)制在不同方向磁場作用下產(chǎn)生強(qiáng)磁電效應(yīng)的重要貢獻(xiàn)。
 

　　該研究揭示了SmMn2O5在強(qiáng)磁場下的復(fù)雜磁相變行為及顯著的磁電耦合特性，為理解多鐵材料中的磁電相互作用機(jī)制提供了新視角。
 

　　該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。