多铁性六角铁氧体巨磁电耦合效应微观机理研究

Most of the single phase multiferroics only show weak magnetoelectric (ME) coupling at very low temperatures. Therefore, it is hard to utilize these kind of materials.However,the multiferroic hexaferrites exhibit giant ME effects up to room temperatures due to the exotic spin orderings.In the hexaferrites, the ME coupling is strongly correlated with magnetic orderings.One of the key issues is how the transverse conical spin ordring can induce the giant ME effects and its converse one. We plan to find out the answers by comparing the distinct ME behaviors of between Y-type and Z-type hexaferrites with very similar transverse conical ordering.Typical Zn2Y-type and Co2Z-type hexaferrite single crystals are chosen as the target compounds. The ME coefficients measurement system will apply a novel triaxial Helmholtz coil system to conduct a dynamic method. After obtaining all the ME tensors of two specimen, a symmetric analysis will be used to determine their magnetic point groups and symmetric operations. By comparing the magetic point group, ME tensor form between two system, we hope to disclose further the reason of the different ME behaviors between two systems and the possible microscopic mechanism of the giant ME coupling.

单相多铁性材料大多只在低温下表现出较弱的磁电耦合效应，因而难以得到实际应用。而多铁性六角铁氧体的某些新奇磁有序具有直至室温的巨磁电耦合效应。在这类材料中，其磁电耦合行为与磁结构直接相关，其中的一个关键问题是横向圆锥磁有序如何产生巨磁电耦合效应。本课题拟通过对比研究Y型与Z型六角铁氧体在横向圆锥磁有序下完全不同的磁电耦合行为作为突破口，来揭示这一问题的答案。我们将选取典型的Zn2-Y型和Co2-Z型六角铁氧体单晶为研究对象，采用三轴亥姆霍兹线圈这一新技术进行磁电系数的交流测量，从测得的磁电耦合张量结合群论分析，反推出这两个体系磁有序的对称性，进而揭示两者磁电耦合行为差别的根本原因，最终找到六角铁氧体中巨磁电耦合效应的微观机理。

单相多铁性材料大多只在低温下表现出较弱的磁电耦合效应，因而难以得到实际应用。而多铁性六角铁氧体的某些新奇磁有序具有直至室温的巨磁电耦合效应。在这类材料中，其磁电耦合行为与磁结构直接相关。本项目系统研究了六角铁氧体及其它一些由磁结构或者磁性离子引起铁电的单相多铁体系。取得的主要成果包括：1）在很多Y型六角铁氧体中发现了直至室温的巨磁电耦合效应及电场对磁性的巨大调控。2）观察到了角度依赖的Y型及Z型铁氧体磁电耦合效应，并提出了一种基于对称性的张量分析方法，完美的解释了其微观机理。3）在M型、Z型及W型六角铁氧体中发现了由FeO5结构中Fe3+离子的量子顺电行为及量子偶极液体。这是世界上首次报道这种新量子态。4）从磁电耦合系数出发，证明磁电耦合材料可以作为真正的第四种线性及非线性电子元器件：电耦器和忆耦器，并首次在国际上提出了基本元器件关系全图。并在Y型铁氧体Ba0.5Sr1.5Co2Fe11AlO22样品室温附近实现了新发明的忆耦器的功能。5）与物理所龙有文老师合作，基于搭建的磁电耦合测量系统，并根据对称性分析，在立方钙钛矿结构的LaMn3Cr4O12中证实了其大的磁电耦合行为及新的磁电耦合机理。本项目的研究工作和成果对寻找新的多铁及磁电耦合材料方面有重要的指导意义。