1月6日，《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）刊發(fā)了國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心多重極端磁性團(tuán)隊(duì)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?fù)浯烹婇_關(guān)效應(yīng)）的合作研究論文。該成果是依托我校脈沖強(qiáng)磁場設(shè)施磁特性實(shí)驗(yàn)平臺，由物理學(xué)院陸成亮教授，強(qiáng)磁場中心王俊峰研究員、李亮教授，以及東南大學(xué)董帥教授組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)取得的最新研究進(jìn)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(qiáng)磁場中心博士后王好文和東南大學(xué)博士生王凡為論文共同第一作者。強(qiáng)磁場中心博士后常鈺婷、副教授楊明等參與了實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)分析的工作。

圖1(a)GdMn2O5的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)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(xù)掃場兩次，反鐵磁鏈L1的磁矩順時針轉(zhuǎn)動一周，L2的磁矩在平衡位置附近作擺動，系統(tǒng)依次經(jīng)歷狀態(tài)1-2-3-4-1；(c) 對應(yīng)電極化出現(xiàn)兩次反轉(zhuǎn)：P1=−P3,P2=−P4。過程中拓?fù)淅@數(shù)Q=1。

磁電研究迄今已有60多年歷史，其進(jìn)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(jī)制研究成果突出。在此過程中，拓?fù)湮锢盹w速發(fā)展，與許多研究方向交叉并取得了系列顯著成果，例如拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘佟⑼負(fù)涑瑢?dǎo)體、量子自旋霍爾效應(yīng)、量子反常霍爾效應(yīng)以及馬約拉納費(fèi)米子等，但它與磁電交叉極少，僅在少數(shù)幾個磁電體系中發(fā)現(xiàn)磁性斯格明子等。實(shí)際上，作為數(shù)學(xué)概念的拓?fù)鋵ξ锢硇袨槊枋霾⒉粌H限于動量空間中電子、聲子、光子的能帶，隨著拓?fù)浜丸F性系統(tǒng)的整合，實(shí)空間的磁、電偶極子也能夠顯示出拓?fù)淇棙?gòu)。

最近，拓?fù)湮锢沓霈F(xiàn)在某些具有拓?fù)淅@數(shù)行為特殊磁電過程的多鐵性材料中，這將拓?fù)湮锢砼c磁電物理相結(jié)合，開啟了磁電研究的第三個階段。例如，用拓?fù)浞嵌ㄏ蛄_馬面來描述四重鈣鈦礦TbMn3Cr4O12磁誘導(dǎo)電極化強(qiáng)度的三維軌跡；在多鐵性材料GdMn2O5中發(fā)現(xiàn)了僅由磁場驅(qū)動的拓?fù)浔Ｗo(hù)磁電開關(guān)行為，具體表現(xiàn)為當(dāng)磁場沿魔角連續(xù)掃場2次時，其中一條反鐵磁鏈上的磁矩旋轉(zhuǎn)一周，繞數(shù)為1，對應(yīng)電極化反轉(zhuǎn)兩次，該磁電過程對應(yīng)了微觀自旋的拓?fù)淅@數(shù)特征（圖1）。從實(shí)際應(yīng)用角度講，拓?fù)浯烹婇_關(guān)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(tài)，使它具有重要的科學(xué)研究和潛在的應(yīng)用價(jià)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(dǎo)致磁電耦合翻轉(zhuǎn)等具有很大的隨機(jī)性，如何精確地控制磁電態(tài)是該領(lǐng)域的一大難題。雖然拓?fù)浯烹婇_關(guān)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?fù)浯烹姷腡bMn3Cr4O12極其依賴磁場的旋轉(zhuǎn)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(qū)、不受磁場取向限制以及適用于其他材料的拓?fù)浯烹姟?/p>

圍繞于此，合作研究團(tuán)隊(duì)提出了一種獲取拓?fù)浔Ｗo(hù)磁電開關(guān)的新方案。首先，對GdMn2O5單晶中的拓?fù)浯烹婇_關(guān)作進(jìn)一步拓展研究，即利用電場E設(shè)計(jì)GdMn2O5的勢能面，從而產(chǎn)生類似于僅由磁場驅(qū)動拓?fù)浔Ｗo(hù)磁電開關(guān)的效果，其優(yōu)勢是可以解除相關(guān)磁電態(tài)的簡并度。實(shí)驗(yàn)上，在H-E的作用下，GdMn2O5的能量面可以任意調(diào)整，磁場H不再需要沿著特定的方向，溫度T也可持續(xù)到鐵電居里溫度點(diǎn)附近（33 K），進(jìn)一步拓展了獲得拓?fù)浯烹婇_關(guān)的窗口。除此之外，通過理論模擬的導(dǎo)向，在DyMn2O5和ErMn2O5中也發(fā)現(xiàn)了類似于GdMn2O5的拓?fù)浯烹婇_關(guān)效應(yīng)，研究表明4f電子的磁矩對于降低能量勢壘起到至關(guān)重要的作用。

圖2（a-b）電場作用下，H//a(非魔角)也能實(shí)現(xiàn)拓?fù)浯烹娺^程 1-4-3-2-1；（c-d）在最大磁場處反轉(zhuǎn)電場E，則可以獲得拓?fù)浯烹娺^程 1-2-3-4-1，與單純磁場沿魔角所產(chǎn)生的拓?fù)浯烹娷壽E一致；（e）設(shè)置不同掃描最高磁場Hmax時，態(tài)1和態(tài)3的變化量ΔP與H的關(guān)系曲線，插圖是不同溫度下ΔP與溫度T的關(guān)系曲線；（f）磁場H在ab面內(nèi)沿著不同角度，ΔP與θ的關(guān)系曲線（左軸）和臨界磁場Hc與θ的關(guān)系曲線（右軸）。

上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金、湖北省博士后創(chuàng)新研究崗位、強(qiáng)磁場學(xué)科交叉基金等項(xiàng)目支持。