（通讯员 常钰婷）4月27日，《物理评论B》（Physical Review B）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心磁学团队题为“High-field-induced multiferroic phases and polarization reversal in Co₃TeO₆ single crystals”（Co₃TeO₆单晶中强磁场诱导的多铁态与极化反转）的研究论文。中心工程师董超为论文第一作者，博士后常钰婷为通讯作者，王俊峰研究员指导了该项工作。硕士生杨凌帆、博士后王好文、高级工程师施江涛、杨明副教授和陆成亮教授共同参与了实验测量和数据分析工作，重庆大学柴一晟教授为复合磁电测量技术提供了指导。

多铁性研究历经三十余年发展起伏，至今其蕴含的复杂物理机理、优良物性参数难以兼容等核心科学问题，仍持续吸引科研工作者不断探索。近年来，随着脉冲强磁场测量技术的迭代升级，强磁场极端条件为多铁性研究提供了独特的调控手段，相继揭示出一系列新奇物理效应，如稀土锰氧化物GdMn₂O₅中拓扑磁电效应、Co₄Nb₂O₉中线性磁电记忆效应、CoSe₂O₅中磁电开关行为、MnWO₄与DyMnO₃中极化反转/翻转现象以及R₂V₂O₇体系中量子磁化平台等。在新兴多铁性体系中，刚玉结构R₃TeO₆单晶（R=Mn、Co、Ni和Cu）因其复杂的晶体结构、丰富的磁电响应而备受关注，其物理性质与R位阳离子电子组态、离子半径密切相关。其中，Co₃TeO₆是该体系中最引人关注的材料之一，兼具高度复杂的非共线磁结构与显著的磁致多铁性，但其磁结构与铁电极化之间的微观耦合机制至今尚未明确。

图1 Co₃TeO₆的强磁场磁化和磁致伸缩曲线

在本项研究中，研究团队依托脉冲强磁场设施的磁特性综合实验平台，系统开展了Co₃TeO₆单晶在强磁场调控下的磁化、磁致伸缩以及电极化等多维度物性测量，深入探究其磁电耦合特性与相变规律。实验结果表明，Co₃TeO₆表现出显著的磁各向异性与新颖的铁电响应行为。当磁场沿a轴（H//a）时，除在临界磁场H_a1~16.7T处观测到自旋翻转相变外，首次在H_a2~18.3T和H_a3~57.6T处发现了两个新的磁相变，并伴随着新奇的极化反转现象。值得注意的是，升场与降场过程中电极化信号呈现完全反向的特征，形成独特的“∞”字形极化回线，表明该体系存在强烈依赖磁场扫描历史的复杂磁电耦合行为。当磁场沿b轴（H//b）时，磁化曲线在临界磁场H_b1~6.9T、H_b2~11.5T、H_b3~21.2T及H_b4~35.8T处出现多级磁相变，呈现典型的连续自旋跃迁特征。此外，当温度高于10K时，材料在更高的临界场H_b5处会发生另一独立磁相变。

进一步研究发现，这些磁相变对应于不同的铁电相，且在偏置电场（E）调控下表现出有趣的铁电响应行为，特别是H_b4以上的铁电相展现出显著的铁电记忆效应：经过多次连续正向（+E）和反向（-E）电场循环后，电极化的方向和幅值均保持稳定，表明铁电畴壁的钉扎效应有效抑制了极化反转。磁致伸缩测量结果与磁化实验数据高度吻合，进一步证实了自旋-晶格耦合在磁相变与极化调控中的重要作用。基于系统的实验结果，绘制了Co₃TeO₆的磁场-温度磁电相图，结合其晶体结构特征、非共线磁结构演化规律及主要磁相互作用，深入分析了不同铁电相的微观起源，并指出反Dzyaloshinskii-Moriya相互作用是调控该材料强磁电耦合及极化反转行为的关键机制，为理解复杂多铁体系的磁电耦合机制提供了新的实验依据。

图2 Co₃TeO₆单晶在不同磁场方向下的电极化强度曲线

本项工作的顺利开展，依托于国家脉冲强磁场设施磁特性实验平台的技术支撑。近年来，平台负责人王俊峰研究员带领课题组成员持续开展测量技术的优化升级，重点提升测量系统的信噪比、分辨率与稳定性，拓展新型测量技术。其中，本研究采用的脉冲强磁场下复合磁电测量技术，是该团队近期自主研发并成功应用的新型测量方法，可实现对材料磁致伸缩特性的高精度、高分辨率表征；同时，团队对磁化与电极化测量技术进行了优化，显著提高了实验数据的分辨率。这些先进测量技术的综合应用，不仅为揭示Co₃TeO₆中的复杂磁相变与新颖铁电行为提供了关键技术支撑，也为后续多铁性材料的强磁场调控研究奠定了坚实的实验基础。

该研究工作得到了国家重点研发计划、中国博士后科学基金、国家自然科学基金等项目的资助支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/kr9h-qcfr