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多鐵性:磁與電的珠聯(lián)璧合,時(shí)與空的交叉反演
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自從2003年,Ramesh組制備出高質(zhì)量的BFO外延薄膜以后,多鐵材料熱鬧了10年,2013年年底,物理,物理學(xué)進(jìn)展均出版了一期多鐵性材料的專題,意圖給其添油加火。南大、清華、物理所多位知名教授均撰文回眸多鐵10年之路,F(xiàn)將這些文章一并給出。 另外本人也看到一篇非常好的回顧文章,一并貼在這里。 以下轉(zhuǎn)自: 東南大學(xué) 關(guān)聯(lián)電子材料物理 研究組 網(wǎng)站 http://hpc.seu.edu.cn/dong/multiferroics.htm 史前文明 1820年,丹麥科學(xué)家奧斯特意外地發(fā)現(xiàn)電流會(huì)作用于磁針,使磁針改變方向。從那時(shí)起,電與磁這對(duì)大自然的雙生子的神秘面紗被漸漸揭開。一年后,英國科學(xué)家法拉第發(fā)明了電動(dòng)機(jī);又十年,發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng),從而造出了發(fā)電機(jī)。直至1864年,英國科學(xué)家麥克斯韋的巨著《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》橫空出世,標(biāo)志著人們對(duì)電與磁的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)新的高度。人類社會(huì)的第二次工業(yè)革命浪潮也在磁生電、電生磁的循環(huán)中滾滾向前。 到了1894年,法國科學(xué)家皮埃爾·居里預(yù)言晶體中存在內(nèi)在磁電耦合的可能性,但這個(gè)冥冥中的靈感火花卻沉寂了半個(gè)多世紀(jì)。1959年,前蘇聯(lián)科學(xué)家Dzyaloshinskii從理論上預(yù)言了第一個(gè)磁電耦合材料Cr2O3,并在次年得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。通過施加一百萬伏每厘米的電場(chǎng),可以使Cr2O3中每一百萬個(gè)自旋翻轉(zhuǎn)五個(gè)。 Dzyaloshinskii是朗道的弟子、蘇聯(lián)科學(xué)院院士,蘇聯(lián)解體后移民美國,現(xiàn)加州大學(xué)Irvine分校教授 。 很明顯,這樣的磁電耦合效率太低下了 ,很難有什么應(yīng)用價(jià)值。人們開始尋找其它具有磁電耦合性質(zhì)的材料。但隨后的幾十年內(nèi),一直沒能取得突破。 磁電(magnetoelectric)這個(gè)術(shù)語是荷蘭科學(xué)家德拜在1926年起的。沒想到幾十年后真用上了。 山重水復(fù)疑無路 冷戰(zhàn)時(shí)期,蘇聯(lián)為首的華約和美國為首的北約各國都投入了人力物力財(cái)力去研究磁電耦合材料,其動(dòng)機(jī)是軍事上的需要:為了制造隱形飛機(jī)!因?yàn)榇烹婑詈喜牧峡赡芸梢晕针姶挪ā?br /> 瑞士的Hans Schmid是諸多磁電耦合研究者中的代表人物。其在1964年合成了磁電耦合材料Ni3B7O13I。1973年,Schmid在美國西雅圖組織了第一次國際“Magnetoelectric Interaction Phenomena in Crystals (MEIPIC-1)”會(huì)議。但隨著冷戰(zhàn)的緩 和,磁電耦合材料研究陷入低谷。80年代,Schmid申請(qǐng)有關(guān)磁電耦合研究課題,以“沒有看出有任何應(yīng)用價(jià)值”被拒;第二年修改后再次申請(qǐng),又以“過于應(yīng)用化”被拒。而MEIPIC-2會(huì)議也一直拖延到MEIPIC-1之后20年(1993年瑞士Ascona)才得以召開。 日內(nèi)瓦大學(xué)的Schmid在1994年給磁電耦合換了一個(gè)更時(shí)髦一點(diǎn)的名字,提出了多鐵性材料的定義 :“single phase materials which simultaneously possess two or more primary ferroic properties”。多鐵性的定義要比傳統(tǒng)的磁電耦合所涵蓋的物理更廣,但即使換了個(gè)大一點(diǎn)的門面,多鐵性的這個(gè)百年老店仍然是門庭冷落,香火難繼。 到了2000年,加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Nicola Hill(現(xiàn)隨夫姓Spaldin,現(xiàn)瑞士蘇黎世理工學(xué)院)指出磁電耦合材料如此稀少的本質(zhì)原因是因?yàn)榇判孕枰粷M殼層的電子而鐵電性需要滿殼層的電子,因此兩者本質(zhì)上是互相排斥的。磁與電在固體中水火不容!這無疑像一張病危通知書,預(yù)示著固體中的磁電耦合走到了絕路。 柳暗花明又一村 2003年注定是多鐵性研究峰回路轉(zhuǎn)的一年。馬里蘭大學(xué)的Ramamoorthy Ramesh(現(xiàn)加州大學(xué)伯克利分校)研究組率先吹響了多鐵復(fù)興的號(hào)角。Ramesh的學(xué)生王峻嶺(現(xiàn)新加坡南洋理工大學(xué))合成了在室溫下具有強(qiáng)磁性和強(qiáng)鐵電極化的BiFeO3薄膜。天性互斥的磁和電終于被摁在同一個(gè)固體中了。一時(shí)間BiFeO3紅遍全球,引無數(shù)研究者竟折腰。 同年,東京大學(xué)十倉好紀(jì)(Yoshinori Tokura)研究組的講師木村剛(Tsuyoshi Kimura,現(xiàn)大阪大學(xué))發(fā)現(xiàn)了TbMnO3具有鐵電極化,并且極化方向可被磁場(chǎng)從晶體的c軸扭轉(zhuǎn)到a軸方向。這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要性一點(diǎn)不亞于BiFeO3。因?yàn)檫@是第一次可以通過磁場(chǎng)來如此強(qiáng)烈地控制鐵電極化。而在以往發(fā)現(xiàn)的寥寥多鐵性材料中,包括BiFeO3,磁和電似乎總是各行其道,井水不犯河水。而TbMnO3的橫空出世也奠定了錳基氧化物在多鐵性領(lǐng)域的三分天下。 次年,美國Rutger大學(xué)的Sang-Wook Cheong研究組在另一種錳氧化物TbMn2O5中觀察到鐵電極化可以被磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)。注意,這兒是從正到負(fù)的反轉(zhuǎn),而TbMnO3中是從c到a的翻轉(zhuǎn)。同年,德國馬克斯波恩研究所的Manfred Fiebig(現(xiàn)波恩大學(xué))研究組發(fā)現(xiàn)了六角HoMnO3的磁疇可以通過電場(chǎng)來控制。 這些重量級(jí)的發(fā)現(xiàn)迅速將多鐵性材料推到到凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)研究的最前沿。 2007年美國《科學(xué)》雜志預(yù)言了未來幾年十大研究熱點(diǎn)問題中,多鐵性作為唯一的物理類問題入選。 Schmid終于等到了多鐵的春天,點(diǎn)燃了半輩子的星星之火,終于要燎原了。至今,MEIPIC會(huì)議共舉行了六次,Schmid組織了前五次,也是唯一參加了所有六次會(huì)議的與會(huì)者。MEIPIC-6是2009年1月在加州大學(xué)圣芭芭拉分校召開的,本人有幸參加了會(huì)議, 已經(jīng)白發(fā)蒼蒼的Schmid講述了這段多鐵研究的歷史。會(huì)議主席Manfred Fiebig總結(jié)會(huì)議時(shí)稱:“從MEIPIC-1到現(xiàn)在的45年,多鐵領(lǐng)域有著巨大的變化,唯一不變的就是我們的Hans! 揮斥方遒 指點(diǎn)江山 多鐵性的研究,怎能少了理論家的好戲。前面說到Spaldin開出了多鐵性的病危通知書。那后來發(fā)現(xiàn)的這些新奇的多鐵性材料是怎么回事呢?在Ramesh的2003年那篇論文中,Spaldin通過計(jì)算指出BiFeO3中強(qiáng)大鐵電極化來源于襯底對(duì)薄膜的應(yīng)力,使得BiFeO3晶格發(fā)生了形變。而對(duì)于BiFeO3中強(qiáng)磁性,Spaldin也沒能說出所以然。 不幸的是,這次Spaldin錯(cuò)了。2005年,劍橋大學(xué)J.F. Scott等人發(fā)表論文,指出BiFeO3本身就具有很大的鐵電極化,與襯底應(yīng)力無關(guān)。以前之所以沒有測(cè)到這么大的鐵電極化,是因?yàn)闃悠焚|(zhì)量不過關(guān)。言外之意,Spaldin的計(jì)算 有湊數(shù)據(jù)的嫌疑。更糟糕的是,Scott指出Ramesh的所謂BiFeO3強(qiáng)磁性壓根沒法重復(fù)出來。這一下子給了BiFeO3的研究一記悶棍。 同年,Spaldin更新了她的計(jì)算結(jié)果,證實(shí)了Scott所言不虛。BiFeO3中的鐵電極化來源于Bi離子,而磁性來源自Fe離子。到了2009年,Cheong首次長出了大塊的高質(zhì)量BiFeO3單晶樣品(有一分錢硬幣大小),證實(shí)了BiFeO3的大鐵電極化和微弱的鐵磁性。 與此同時(shí),對(duì)于多鐵性錳氧化物的理論研究也是一波三折。2005年,東京大學(xué)Hosho Katsura,Naoto Nagaosa和美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Alexander V.Balatsky利用量子微擾理論,證明了M-O-M(M為含3d電子的過渡金屬)化學(xué)鍵在M具有非共線自旋時(shí),會(huì)產(chǎn)生鐵電極化。該理論被稱為KNB理論。幾乎與此同時(shí),瑞士蘇黎世理工的Kenzelmann與Cheong合作,通過中子散射證實(shí)了TbMnO3中鐵電極化源自螺旋形自旋序。 隨后的2006年,美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Ivan A. Sergienko和Elbio Dagotto提出TbMnO3中鐵電極化來源于Dzyaloshinskii-Moriya作用,而其前提就是非共線的螺旋自旋。不久,荷蘭Groningen大學(xué)的Maxim Mostovoy用朗道相變理論也推導(dǎo)出非共線的螺旋磁序能誘導(dǎo)鐵電極化。三種理論從不同的角度,給出了驚奇一致的結(jié)論! 從對(duì)稱性的角度講,鐵電性破壞了空間反演對(duì)稱,鐵磁性破壞了時(shí)間反演對(duì)稱。如果要獲得多鐵性,那就得同時(shí)破壞時(shí)間與空間的反演對(duì)稱。而螺旋形磁序正是破壞兩種對(duì)稱性的天賜利器。螺旋有左手和右手(順時(shí)針與逆時(shí)針)之分,正好對(duì)應(yīng)鐵電的正和負(fù)。 更高、更大、更強(qiáng) 但這把利器卻有點(diǎn)先天不足,因?yàn)槠湮锢砀釉谧孕壍礼詈希@是一種相對(duì)論效應(yīng),天生弱弱的。因此TbMnO3的鐵電極化比BiFeO3的弱了大約1000倍。而TbMnO3已經(jīng)是螺旋磁序多鐵家族中極化最大的之一。 為了克服這一缺點(diǎn),2006年底,Sergienko和Dagotto預(yù)言了正交結(jié)構(gòu)的HoMnO3(不同于Fiebig的六角HoMnO3)E型反鐵磁序也可以破壞空間反演性,因?yàn)镋型也有左右之分。這是一種磁與晶格的直接耦合,效應(yīng)比自旋軌道耦合要強(qiáng)很多,理論預(yù)言其極化可以數(shù)十倍于TbMnO3。雖然這比BiFeO3仍然弱了幾十倍,但考慮其鐵電極化是由磁序直接控制,這已經(jīng)是一個(gè)巨大的突破。 但好事多磨,休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武研究組用高壓方法合成了正交HoMnO3(因?yàn)樵摬牧显诔合聲?huì)變成六角晶格)。實(shí)驗(yàn)的測(cè)量卻讓人大跌眼鏡,其鐵電極化遠(yuǎn)沒有理論預(yù)計(jì)的大,甚至還不如TbMnO3。 本人剛到Dagotto研究組時(shí),曾就此事請(qǐng)教Dagotto:為什么你的預(yù)言沒有被實(shí)驗(yàn)證實(shí)?Dagotto很淡定的一笑:那是因?yàn)樗麄儗?shí)驗(yàn)做的不夠好。 隨后的理論計(jì)算均認(rèn)為HoMnO3具有很大的鐵電極化,而由于樣品難以制備,一直無法得到確認(rèn)。2009年,蘇黎世理工的Pomjakushin和Kenzelmann等人和十倉好紀(jì)研究組分別在高質(zhì)量的E型反鐵磁多晶樣品上測(cè)出了較大的鐵電極化,部分證實(shí)了Dagotto的預(yù)言。 2011年,十倉好紀(jì)研究組通過高壓方法制備出了正交YMnO3單晶樣品。而另一位單晶專家Cheong研究組也在不經(jīng)意中撿了個(gè)皮夾子,從六角HoMnO3鍋里撈出了一塊正交HoMnO3單晶,但Cheong研究組發(fā)現(xiàn)其中磁結(jié)構(gòu)并不是E型反鐵磁。頓時(shí)HoMnO3的謎案再起 。 除了追求更大的鐵電極化,研究者還在另外一條戰(zhàn)線上穩(wěn)步向前,那就是追求更高的工作溫度。目前已知的這些多鐵性材料,除了BiFeO3這個(gè)多鐵明星能在室溫下工作,其它都在很低的溫度下(幾十K或幾K)才體現(xiàn)多鐵性。這當(dāng)然不能滿足應(yīng)用的需求。 木村剛在這方面一馬當(dāng)先,在2008年發(fā)現(xiàn)CuO在了213-230K的溫度區(qū)間內(nèi)顯現(xiàn)出螺旋型磁序,從而具有鐵電性。雖然只有17K的狹小區(qū)間,并且這個(gè)溫度仍然低于室溫,但這無疑是一重大進(jìn)展,把磁致多鐵的溫度從幾十K一下子提到了200K的范圍。2010年,木村剛研究組再接再厲,在Z-型鐵氧體Sr3Co2Fe24O41中 觀察到了室溫下的低磁場(chǎng)條件下的磁電效應(yīng),這一發(fā)現(xiàn)再次引起世人關(guān)注,在磁致多鐵邁向?qū)嵱没牡缆飞嫌诌~出了重要的一步。 另一方面,Ramesh研究組以及他的合作者,在BiFeO3薄膜以及納米尺度異質(zhì)結(jié)方面做了大量的工作,已經(jīng)可以隨心所欲的控制其鐵電疇結(jié)構(gòu),并由此帶動(dòng)磁性的響應(yīng)。這為多鐵性器件奠定了基礎(chǔ)。 2010年美國物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議在波特蘭召開,會(huì)議期間,學(xué)會(huì)頒發(fā)了James C. McGroddy獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)由IBM公司資助,旨在表彰在新材料科學(xué)和應(yīng)用方面作出突出成果的科學(xué)家。Spaldin、Ramesh、Cheong因?yàn)樵诙噼F性材料方面的重要貢獻(xiàn),分享了該項(xiàng)榮譽(yù)。[ Last edited by ivansdk on 2014-8-26 at 00:59 ] |
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