（通讯员 胡浩）近期，《物理评论B》（Physical Review B）先后刊发了国家脉冲强磁场科学中心在磁电耦合方面的两项合作研究成果。
5月29日，《物理评论B》在线刊发中心用户南京大学刘俊明教授课题组题为“High-field magnetoelectric coupling and successive magnetic transitions in the Mn-doped polar antiferromagnet Ni3TeO6”的研究论文。该研究成果是刘俊明教授课题组依托脉冲强磁场设施磁特性测量平台在磁电耦合材料研究方面取得的最新研究进展，南京大学林林副教授为论文的通讯作者，中心王俊峰研究员、华中科技大学物理学院陆成亮教授提供了指导，工程师董超、博士生常玉婷参与了实验测量和数据分析工作。
磁电多铁性材料是一种多个铁性序耦合的单相功能材料，具有丰富的物理特性和潜在的应用价值，是凝聚态物理的研究热点之一。相较于传统磁电多铁性材料的相变温度低、极化强度小、磁电耦合弱等不足，以Fe2Mo3O8和Ni3TeO6为代表的一些极性磁体因其所具有的极化强度大、磁电耦合强而备受关注。除多铁性之外，该类材料也是研究反常/拓扑Hall效应、反铁磁孤子、非互易效应等新奇物理现象的理想平台。
Ni2MnTeO6的磁致铁电极化P与磁场H、磁电耦合系数与温度T依赖关系图
此项研究中，刘俊明课题组报道了极性反铁磁体Ni2MnTeO6单晶在55T强磁场下的连续性磁相变和磁电耦合属性，并揭示磁电耦合背后的物理机制。研究发现，除低磁场区Hc1处发生的spin-flop相变之外，当温度T>30K，磁场H//c和H//ab时，在高磁场区的Hc2处发生新的磁相变；更为重要的是，在H//c和H//ab下，铁电极化P与磁场H的关系分别在H<Hc2和Hc1<H<Hc2范围内符合DPc~aH+bH2关系，其中a和b分别为一阶和二阶线性磁电耦合系数。随着温度升高，a减小而b增加，说明低温区磁电耦合由一阶效应主导，而在高温区则是由二阶磁电效应主导。分析发现，这种磁场和温度依赖的磁电耦合属性与交换收缩机制中自旋在c方向的分量大小密切相关。该项工作为极性磁体中磁电耦合机制的理解提供了新的视角。
6月4日，《物理评论B》在线刊发中心多重极端磁性团队题为“Complex magnetic transitions and possible orbital ordering in multiferroic Co3TeO6single crystal”的研究论文。中心博士生刘从斌（已毕业）为论文第一作者，王俊峰研究员为论文通讯作者，博士后王好文、工程师董超参与了实验测量和数据分析工作。
Co3TeO6是一种具有复杂磁性和电性的多铁性材料（空间群为C2/c），在低温下展现出连续的磁相变（在~26K出现反铁磁序和在~18K发生一级相变），并与晶格、自旋和轨道自由度间的相互作用有关。此外，它也表现出电偶极矩和铁电性，在磁场作用下其电极化的改变与磁相变密切关联。这种磁电耦合的特性使得Co3TeO6成为研究磁场和电场对多铁性材料性质调控的理想平台。
Co3TeO6单晶的磁致铁电极化P与磁场H、比热一级相变和晶体场劈裂关系图
此项研究中，研究团队通过改进方法制备了高质量的Co3TeO6单晶样品，并研究了其在55T磁场下的磁相变和磁致多铁行为。研究发现，Co3TeO6展现出强烈的各向异性，除在26K的反铁磁相变和18K的一级相变，还在强磁场下呈现出更复杂的磁相变行为。例如，当磁场H//b时，磁化强度在Hc1和Hc2处显示两个新的spin-flop转变。铁电极化（H//b和E//a）测量结果也揭示了三个不同的铁电相区域（I、II和III），其相边界兼容于磁相变的临界场Hc1和Hc2，表明铁电相与磁相之间存在强烈的关联性——铁电极化受控于磁性序参量的演变过程。在H//b时,磁化率上磁矩的跳变行为与比热上Cp/T的一级相变是一致的，这种一级相变行为可能与Co2+离子t2g轨道简并态的消除或者与电荷重新分布形成的电荷密度波有关。该项工作为探究复杂磁电耦合体系中自旋、轨道和晶格等对铁电极化的调制行为提供了新的研究视角。
上述工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.184112
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.214408
