新型多铁性材料的理论研究

多铁性材料（同时具有两种或两种以上的铁性质的材料）不但具备单一的铁电性、铁磁性等性能，而且通过各种铁性能的耦合协同作用能产生一些新的功能，因而受到广泛关注。在目前发现的基于钙钛矿的单相多铁性磁电材料中，磁电效应很微弱或可观察到磁电效应的温度很低，无法实际应用。近来，科学家发现了一些多铁性尖晶石体系，并发现外延应力可以调制体系的电磁性质。在此研究中，我们将系统地研究多铁性尖晶石体系的磁性及铁电性质，找出描叙尖晶石体系自旋耦合、磁电耦合、自旋晶格耦合的简化模型，发现尖晶石体系的磁相互作用的规律，理解磁序诱导的晶格畸变的机理，进而设计高温的具有强磁电效应的尖晶石单相多铁性材料。另外，我们将研究多铁性材料与磁性材料或铁电材料之间的界面及其超晶格量子态的磁电耦合特性，研究界面量子态及外延应力对氧化物界面或超晶格多铁性能的调制，预言具有高温多铁性的超晶格或界面体系。

本项目以多铁性体系作为具体研究对象，旨在理解多铁性的物理机制和预言新的多铁性材料。项目研究成员集中研究了磁性多铁性材料多铁性的微观机理，提出了自旋序诱导铁电性的统一极化模型。结合该模型和第一性原理计算不仅解释了之前理论不能理解的实验现象，而且发现了新的多铁性机制。该模型为理解多铁性机制，预言新多铁性材料提供了物理基础和有效手段。在磁性氧化物表面/界面方面，发展了预言表面/界面量子态全局优化方法，并编制了相应的程序包。发现在外延拉升应力下，锰氧化物薄膜存在全新的具有大极化和较高转变温度的多铁态，提出利用外延生长薄膜的办法来改善锰氧化物的多铁性；发现在六角铁氧体BaFe12O19是室温亚铁磁-反铁电共存的新型多铁性材料；提出非对称多铁性的新概念并预言基于LiNbO3结构的Fe-Mo-Cr超晶格是室温非对称多铁性材料。该项目的完成不仅为理解多铁性机制提供了坚实的基础，也为设计高性能新型磁电材料指明了新方向。项目共发表SCI论文12篇，其中Phys. Rev. Lett.两篇，Phys. Rev. X一篇，Phys. Rev. B六篇。