科學家在鈣鈦礦結構DyCrO3單晶中觀測到量子順電效應

2020-11-26 中國科學院

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所副研究員尹利華及史同飛等與中國科學技術大學、韓國首爾國立大學科研人員合作，在鈣鈦礦結構DyCrO3單晶的多鐵性及磁電效應研究方面取得新進展。研究人員在DyCrO3單晶中觀測到了量子順電效應，相關成果在《物理評論B》 (Physical Review B 98, 054301 (2018)) 上發表。

　　多鐵性磁電材料由於磁性與鐵電性之間強的耦合作用，使其在信息存儲、傳感器等領域有著潛在的應用前景。然而，由於材料的鐵電性與磁性之間的「互斥性」，因而在單相材料中同時實現強磁性、強鐵電性及強磁電耦合效應仍然是一個挑戰，這是因為在過渡金屬氧化物中，鐵電性要求過渡金屬離子具有空的d軌道(即，所謂的d0規則)，而磁性則要求其d軌道為未完全佔滿狀態，所以磁性材料很難同時表現出鐵電性。最近有理論計算及實驗結果表明，具有鈣鈦礦結構的AMnO3 (A=Ba、Sr、Ca)材料能夠實現磁性和鐵電性共存，其磁性和鐵電性均起源於其具有特殊的d3電子構型的Mn4+離子。另一方面，理論計算亦表明具有相同d3電子構型(Cr3+離子)的RCrO3(R=La等)也具有鐵電性的傾向，但尚未有實驗方面的報導。

　　為此，固體所科研人員製備了一系列具有簡單鈣鈦礦結構的RCrO3(R=La、Tb、Dy、Er等)單晶樣品，系統研究了其鐵電、磁性、磁電效應等物性。研究發現，與R=La、Tb、Er等單晶不同，DyCrO3單晶表現出量子順電體所具有的兩個典型特徵。特徵之一是其c軸方向的介電常數在其反鐵磁有序溫度TN以下隨著溫度的降低而逐漸變大，在35 K以下趨於飽和(如圖1所示)。其c軸介電常數隨溫度的變化可以很好地用Barrett方程描述。特徵之二是其軟模頻率在低溫下趨於一個非零的常數。

　　在量子順電體中，由於量子漲落(來源於量子效應中的零點振動)的影響，其電偶極子之間的長程相互作用被抑制，使其長程鐵電有序直到絕對零度(即，0 K)亦未能形成。SrTiO3、KTaO3以及CaTiO3便是其中典型的量子順電體。上述結果表明，DyCrO3在低溫下存在電偶極矩，但由於量子漲落的影響，這些電偶極矩並未形成長程的鐵電序。

　　與理論預測結果相一致，進一步的拉曼散射譜及X射線近邊吸收結構譜(XAENS)等實驗結果表明，DyCrO3中的電偶極子與Cr3+(d3)離子偏離中心對稱位置的位移密切相關(如圖2所示)。變溫X射線衍射實驗結果表明其晶胞體積的收縮速率在低溫下有所減小；而該異常行為很可能是其異於其它RCrO3體系而表現出量子順電行為的重要原因。

　　鈣鈦礦結構DyCrO3中量子順電行為的發現，為進一步尋求突破鐵電性中所謂的d0規則，實現由於磁性過渡金屬離子(具有非d0電子構型)位移引起的電偶極矩，提供了重要的實驗支持；該發現也將為在更廣泛的材料，尤其是磁性鈣鈦礦材料中，探索強磁電效應及多鐵性，提供了重要的參考。

　　該工作得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目的資助。

　　文章連結

圖1. DyCrO3單晶c軸方向介電常數隨溫度的變化及其根據Barrett方程的擬合結果

圖2. DyCrO3在不同溫度下X射線近邊吸收結構譜的(a)實驗及(b)(c)相應理論計算結果

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所副研究員尹利華及史同飛等與中國科學技術大學、韓國首爾國立大學科研人員合作，在鈣鈦礦結構DyCrO3單晶的多鐵性及磁電效應研究方面取得新進展。研究人員在DyCrO3單晶中觀測到了量子順電效應，相關成果在《物理評論B》 (Physical Review B 98, 054301 (2018)) 上發表。
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　　與理論預測結果相一致，進一步的拉曼散射譜及X射線近邊吸收結構譜(XAENS)等實驗結果表明，DyCrO3中的電偶極子與Cr3+(d3)離子偏離中心對稱位置的位移密切相關(如圖2所示)。變溫X射線衍射實驗結果表明其晶胞體積的收縮速率在低溫下有所減小；而該異常行為很可能是其異於其它RCrO3體系而表現出量子順電行為的重要原因。
　　鈣鈦礦結構DyCrO3中量子順電行為的發現，為進一步尋求突破鐵電性中所謂的d0規則，實現由於磁性過渡金屬離子(具有非d0電子構型)位移引起的電偶極矩，提供了重要的實驗支持；該發現也將為在更廣泛的材料，尤其是磁性鈣鈦礦材料中，探索強磁電效應及多鐵性，提供了重要的參考。
　　該工作得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目的資助。
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圖1. DyCrO3單晶c軸方向介電常數隨溫度的變化及其根據Barrett方程的擬合結果

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