近日，東南大學(xué)物理學(xué)院董帥教授、張駿杰副研究員團(tuán)隊(duì)在變鐵性材料物理方面取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Landau theory description of autferroicity”為題發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域知名刊物Physical Review Letters上。

磁性與電極性是固體物質(zhì)最基本且關(guān)鍵的物理屬性之一，也是功能材料的重要物性之一。磁與電兩者的耦合行為具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。前期研究者提出了“多鐵性”，將磁性與電極性納入同一單相材料中，以期實(shí)現(xiàn)磁電耦合。然而，由于二者無(wú)論是在宏觀對(duì)稱性屬性，抑或量子層次微觀機(jī)制，均表現(xiàn)不兼容性，因此傳統(tǒng)材料在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合方面長(zhǎng)期面臨瓶頸。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，董帥教授團(tuán)隊(duì)提出了“變鐵性”概念[PNAS 120, e2305197120 (2023)]，其主要特點(diǎn)在于磁性與電極性分屬同一體系中的不同相，表現(xiàn)出類似“蹺蹺板”式的磁電耦合方式，從而在本質(zhì)利用了兩者的物理互斥來(lái)實(shí)現(xiàn)磁電耦合效應(yīng)。

為了更加深入理解變鐵性材料的物理機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)基于經(jīng)典朗道理論的宏觀普適模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單鐵性、多鐵性與變鐵性三種鐵性狀態(tài)的統(tǒng)一理論描述。根據(jù)該理論，變鐵性天然具備比多鐵性更強(qiáng)的磁電耦合。該理論不僅揭示了變鐵性材料中的強(qiáng)磁電耦合機(jī)理及其相變行為，也為后續(xù)新材料設(shè)計(jì)和性能調(diào)控提供了理論依據(jù)。該理論模型的適用性進(jìn)一步得到了第一性原理的證明。該研究成果不僅拓展了鐵性材料的理論范疇，也為未來(lái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了重要指引。

本文第一作者為東南大學(xué)物理學(xué)院張駿杰副研究員，董帥教授和美國(guó)萊斯大學(xué)Boris Yakobson教授為共同通訊作者，東南大學(xué)物理學(xué)院為第一單位。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、江蘇省自然科學(xué)基金、東南大學(xué)量子材料與信息器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東南大學(xué)學(xué)科交叉青年特支計(jì)劃以及東南大學(xué)大數(shù)據(jù)計(jì)算中心的計(jì)算資源支持。