多铁性材料磁电共存机制及其元激发性质的理论研究

随着器件小型化、多功能化的发展趋势，人们对多功能材料的研究越来越重视。新型多铁性材料集磁性和铁电性于一身，可实现磁与电的相互调控，在下一代信息产业技术领域中有潜在的巨大的应用价值，最近几年已迅速成为物理界和材料界的国际研究热点领域。本项目将基于微观和宏观两方面对新型多铁材料的磁电耦合机制进行研究。综合考虑自旋、轨道、电荷、晶格等因素，建立合理模型，研究各个因素对磁电耦合影响的相对重要性。建立宏观描述多铁体磁电耦合的多分量Ginzburg-Landau唯象理论。研究有机多铁性材料的磁电耦合问题，发展新的磁电耦合机制。研究动态磁电耦合问题，建立合适的模型，探讨电磁振子的特性，努力去揭示和预言一些新奇的量子现象。

根据该项目研究计划，我们主要从唯象理论出发，采用理论分析及数值模拟相结合的方法研究了多铁性材料多方面的性质。基于我们的研究成果，我们在Physics Review B, Applied Physics Letter等国际权威期刊上发表SCI论文6篇, 另有3篇论文在审稿中，实现了项目预期研究目标。具体研究成果可以概括为如下几点： . .（1）我们通过连续极限下的具有SU(2)对称性的局域扭曲自旋模型推导出了带规范的Landau-Lifshitz方程（gauge Landau-Lifshitz equation）并用这个方程给出了各种自旋序的统一描述。我们提出一种手征磁性薄膜中Skyrmion的钉扎机制。钉扎中心由磁交换强度的局域极大值提供，磁交换强度的大小可以通过局域巡游电子密度来调节。我们发现解钉扎存在临界电流强度，其大小和钉扎深度成正比，其数值估计在10^7到10^8A/m^2数量级。..（2）基于最近发现的多铁性绝缘体材料Cu_2OSeO_3， 我们给出了磁电响应的理论判据。 结合模特卡罗数值模拟和金斯伯格朗道分析，我们预言，在每一个磁相中都会出现响应。同时，最近发现的多铁性绝缘体材料Cu_2OSeO_3启发我们寻求除了来自导电电子的自旋转矩外其他操控Skyrmion的方式。..（3）我们将传统自旋流力学加以扩展，并运用该方法研究了有倾斜自旋续的多铁体系中，磁电极化间的动力学相互作用。我们的结果证明可以通过光学测量而精确识别潜在的磁电耦合。此外，基于团簇和链模型，我们研究了螺旋多铁磁中的结合力扭曲效应。这种结合力的扭曲破坏了反演对称性，因此修正了d-p杂化，这将影响电子极化。我们还研究了由不同团簇组成的三种链模型中可能出现的电性序。然后，将理论应用到铜氧化物多铁性材料中，我们发现理论计算和实验测量结果在定性上是一致的。..（4）我们提出了关于描述配体八面体倾斜的局域坐标的一般公式。 运用非极化八面体旋转，我们计算了过渡金属离子链的电极化。 我们发现由于配体旋转而产生的轨道序和自旋序都决定极化特征，这证明非消失的极化出现在共线自旋序，同时极化方向不再被限制在摆线序的自旋旋转平面上..除了以上对多铁方面的研究以外，借助该项目资助，我们还对冷原子体系的一些量子性质进行了研究，发表SCI论文四篇。