强磁场下多磁矩协同多铁性物理效应与机理

Multiferroics as novel class of strongly correlated electron systems have been receiving special attentions due to the underlying physics associated with the multiferroic order coupling and inter-manipulations. Multiferroic materials with interacting magnetic sublattices show superior properties and rich physics, and therefore can be a promising category for the multiferroic research. Motivated by the earlier works including our own contributions on the type-II multiferroics, the present proposal is intended to investigate emergent phenomena and the related physics driven by high magnetic field in these materials. Three major issues will be addressed, including (1) multiferroic phase transitions driven by high magnetic field, physical correlation among various microscopic mechanisms, and possible new multiferroic origins. (2) novel magnetoelectric response associated with spin-lattice coupling triggered by high magnetic field. (3) the physics of coexistence between ferromagnetism and multiferroicity. This proposal will be carried out mainly in experiments, while simultaneously some theoretical calculations will be performed, in order to comprehensively understand the emergent features activated by high magnetic field in these multiferroic materials hosting multiple magnetic sublattices.

多铁性蕴含深刻的铁性序耦合与调控物理，属于关联电子物理的前沿研究。多磁矩协同多铁性体系具有优良的多铁性能，物理内涵丰富，是多铁性研究的出路。本申请以申请人近几年在磁致多铁性材料物理方面的研究工作为基础，着重开展强磁场调控多磁矩协同多铁性，揭示新物理效应，阐明其中的物理根源，构建新的物理图像，为设计合成多铁性能优异的新材料提供物理基础。主要包括：（1）强磁场驱动多铁相变，理解不同微观机制之间的物理关联，探索新的多铁性机制；（2）强磁场调控自旋—晶格耦合，诱导新的磁电效应，深刻理解其中的调控物理；（3）揭示铁磁性与多铁性有机共存的物理图像。项目开展以实验探索为重点，以理解多磁矩协同的组合物理与调控物理为主线，结合理论计算，对强磁场调控多磁矩协同多铁性新物理效应进行深入研究。

在项目执行的四年中，项目负责人和团队成员根据申请书既定的研究计划，重点围绕多磁矩多铁性材料体系，结合强磁场技术，开展了大量的实验研究，取得了一系列的研究成果，较好实现了既定的科学目标。主要研究结果包括:（1）系统研究了极性反铁磁M2Mo3O8 (M=Fe, Co, Mn, Ni)系列材料中的多铁性调控以及磁电耦合。结果表明Fe2Mo3O8和Co2Mo3O8均具有c轴方向的反铁磁基态，由于自旋交换伸缩效应出现c轴方向的自发电极化，叠加于极性晶体对称性所产生的电极化，但两者方向应该不同。磁场作用下发生反铁磁到亚铁磁的转变,同时出现线性磁电耦合。Mn2Mo3O8则具有c轴方向的亚铁磁基态，表现出自旋交换伸缩导致的自发电极化。在磁场作用下，自旋方向发生90度翻转，变为ab面内的亚铁磁。Ni2Mo3O8较其它几种样品不同，具有面内的自旋非共线自旋序，在磁场作用下出现多个相变，同时伴随着电极化的显著变化。（2）利用脉冲强磁场技术，揭示了Ni3V2O8，Co2V2O7，MnWO4 等多铁性体系中磁场调控电极化以及新颖的多铁性记忆效应，主要源于磁场改变非共线自旋之间的手性矢量方向。（3）研究了Mn4Nb2O9，YbFeO3等多铁性材料中的磁电耦合特征以及掺杂等方式调控多铁性。结果表明其中的多铁性以及磁电耦合效应对磁场、离子掺杂等高度敏感，与其中的自旋、晶格等多自由度强耦合相关。此外，在本项目的支持下，我们以Sr2IrO4为蓝本，研究了其中的强自旋轨道耦合对系统电、磁等物理性质的调控和物理，取得了较好的结果。