多功能磁电耦合效应测量系统研制

Multiferroic materials provide great opportunities for the mutual control of magnetism by electric fields or electric properties by magnetic fields. Strongly correlated electron systems exhibit a variety of magnetoelectric coupling effects due to the cross correlation among charge, spin, orbital, and lattice. These materials have great potential for applications in information storage, transducers, sensors. Meanwhile, the magnetoeletric coupling may generate new physical effects and concepts. In this project, we plan to build up an advanced multifuntinal measuring system for studying magnetoeletric effects, which are able to measure precisely various static and dynamic magnetoeletric effects in a wide range of temperature, magnetic field, eletric field, and frequency. This equipment can be used for the fundemental physics study and devices development as well.

同时具有铁磁性和铁电性的物质被称为磁电多铁性材料。利用多铁性材料中的磁电耦合效应可以实现用电场来控制磁性质以及用磁场来改变电学性质。同时，许多强关联电子体系由于电荷，自旋，轨道，晶格等微观自由度的交叉耦合，也表现出丰富的磁电耦合效应。这类材料是具有很高的应用价值的功能材料，例如基于磁电耦合效应可以构建新型信息存储器件、传感器、换能器等。同时，磁电耦合还带来许多新的物理效应和物理概念，如量子电磁铁，磁电激子，电控交换偏置等。本项目计划研制一套多功能磁电耦合效应测量系统，达到国际先进水平，实现在较宽温度区间、磁场范围、电场范围、频域范围内对多种静态和动态磁电耦合效应进行精确的测量和表征。该测量系统不仅可以应用于凝聚态物理基础研究，也可以用于对磁电功能材料和应用器件的开发研究。

同时具有磁性和铁电性的物质被称为磁电多铁性材料。利用多铁性材料中的磁电耦合效应可以实现用电场来控制磁性质以及用磁场来改变电极化。磁电耦合效应不仅具有重要的应用前景也蕴含了丰富的基础物理问题，吸引了凝聚态物理、材料科学及信息技术领域的广泛研究。目前无商业化仪器可以直接精确测量磁电耦合效应，国际一流实验室都是采用自行研制的仪器来测量多铁性与磁电耦合效应。.本项目成功研制了一套多功能磁电耦合效应测量系统，达到国际先进水平，实现了在较宽温度区间（1.5 K – 380 K）、磁场范围（0 – 12 T）、电场范围、频域范围（10 MHz）内对多种静态和动态磁电耦合效应进行精确的测量和表征，主要技术指标和测量精度均达到或超过项目预期指标。此外，在该系统中拓展实现了一些新的测量功能，如热电势、热导率、热膨胀与磁致伸缩等物理性质的精确测量。.利用该多功能磁电耦合效应测量系统，项目组成员研究了多种材料体系的磁电耦合效应，取得了一批重要创新性成果，包括：（1）拓展了凝聚态物理中量子液态的范畴，提出几何阻挫和量子涨落在一些特殊的电介质中可以导致量子电偶极液态，并给出了实验证据；（2）在金属-有机框架材料中发现了一系列新效应，如磁化共振量子隧穿、多铁性与共振量子磁电耦合效应；（3）发现了立方钙钛矿中的多铁性与磁电耦合效应，突破了传统铁电性关于晶格对称性的限制；（4）基于磁电耦合效应实现了第四种基本电路元件和新一代非易失信息存储器，具有重要的应用前景。.基于本项目的研究成果已在国际知名学术期刊Nature Communications, Phys. Rev. Lett.，J. Am. Chem. Soc.，Phys. Rev. Appl.，Phys. Rev. B，Appl. Phys. Lett.，Sci. Rep.等发表论文19篇，申请国际发明专利1项。代表性成果被美国物理学会Physics栏目和德国Materials Views学术新闻网站重点报道，荣获了第61届国际磁学与磁性材料大会最佳张贴报告奖。项目负责人应邀在重要国际会议上做邀请报告6次。.该多功能磁电耦合效应测量系统除满足项目组成员自己的研究工作外，也向国内兄弟院校开放，已为清华大学，北京大学，吉林大学，中国人民大学，苏州大学，上海大学，武汉理工大学，山西师范大学，湘潭大学，东南大学等多个研究组提供了实验测量服务。